Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока объяснить, за счёт чего газ или пар совершают механическую работу при расширении, и применить это объяснение для описания четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.
- Сформировать умение распознавать превращение внутренней энергии газа в механическую работу по схеме, демонстрации и описанию опыта.
- Научиться устанавливать последовательность тактов двигателя внутреннего сгорания и объяснять назначение основных деталей.
- Развивать умение работать с учебным текстом, схемой, видеоматериалом и результатами наблюдения.
- Воспитывать ответственное отношение к технике, энергоресурсам и экологическим последствиям использования двигателей.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают значение физических знаний о тепловых двигателях для транспорта, энергетики и будущих профессий.
- Проявляют интерес к экспериментальному изучению физических явлений и готовность самостоятельно выбирать уровень задания.
- Формируют ответственное отношение к вопросам экономии топлива и уменьшения загрязнения окружающей среды.
- Оценивают собственный вклад в работу пары или группы и корректно относятся к различным объяснениям одноклассников.
Метапредметные
- Извлекают информацию из текста учебника, схемы двигателя, таблицы и видеоматериала.
- Выделяют причину и следствие: нагрев газа — расширение — перемещение поршня — механическая работа.
- Планируют действия при выполнении практического задания и проверяют результат по критериям.
- Аргументируют ответ, участвуют в обсуждении и используют цифровой ресурс для наблюдения за процессом.
Предметные
- Объясняют, что расширяющийся газ или пар могут совершать работу, перемещая поршень или другое тело.
- Описывают превращение внутренней энергии газа в механическую энергию при расширении.
- Называют основные детали двигателя внутреннего сгорания: цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, свеча зажигания, впускной и выпускной клапаны.
- Устанавливают последовательность тактов четырёхтактного двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
- Различают уровни заданий и применяют знания к практической ситуации, схеме и простому расчётному рассуждению.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный интерес к теме через связь двигателя с транспортом, техникой и профессиональной деятельностью.
- Оценивают необходимость безопасного и экологичного использования тепловых машин.
- Осознают значение точного наблюдения и доказательного объяснения физического явления.
- Проявляют самостоятельность при выборе базового или повышенного задания.
Регулятивные УУД
- Формулируют учебную цель на основе проблемного вопроса.
- Планируют последовательность действий при анализе опыта и схемы двигателя.
- Сверяют собственный ответ с эталоном и исправляют выявленные ошибки.
- Оценивают степень достижения цели с помощью листа самооценки и светофора.
Познавательные УУД
- Наблюдают изменение положения поршня и связывают его с расширением газа.
- Сравнивают процессы впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
- Строят причинно-следственную цепочку превращения энергии.
- Моделируют работу двигателя с помощью схемы и подписей к рисунку.
- Извлекают ключевые сведения из текста учебника и цифровой анимации.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в паре или группе при выполнении практического задания.
- Формулируют уточняющие вопросы по схеме и тексту.
- Доказывают собственную позицию, опираясь на наблюдение и физические понятия.
- Согласуют общий вариант последовательности тактов и представляют его классу.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить прозрачный цилиндр или большой шприц без иглы с подвижным поршнем, небольшое количество воздуха и груз для демонстрации механической работы.
- Подготовить модель двигателя внутреннего сгорания или крупную схему с подвижным поршнем и клапанами.
- Распечатать карточки трёх уровней сложности: по одной карточке на каждого ученика, всего по числу учащихся в классе.
- Распечатать карточки с названиями четырёх тактов и изображениями положений поршня — по одному комплекту на группу из 4 человек.
- Подготовить лист наблюдений с графами «Что наблюдаем?», «Как изменяется газ?», «Как совершается работа?», «Как превращается энергия?» — по одному на пару.
- Вывести на экран короткую анимацию четырёхтактного двигателя без звука и с возможностью остановки на каждом такте.
- Подготовить на доске схему: «нагревание газа → расширение → перемещение поршня → механическая работа».
- Подготовить таблицу для записи тактов: название, движение поршня, состояние клапанов, процесс в цилиндре.
- Обеспечить оборудование для ИКТ: ноутбук, проектор или интерактивную доску, колонки при необходимости.
- Использовать методические ресурсы: учебный текст по теме, демонстрационную модель двигателя, цифровую анимацию, карточки дифференцированных заданий и лист самооценки.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в практическое исследование и создать познавательную проблему.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране фотографии автомобиля, паровоза и тепловой электростанции: "Ребята, сегодня мы выясним, что общего у этих объектов. В каждом случае газ или пар не просто нагреваются, а могут заставить двигаться другое тело. Приготовьте тетради и лист наблюдений." | Рассаживаются по парам, проверяют наличие тетради, ручки и листа наблюдений, формулируют предположение: "Внутри машин газ приводит в движение детали". |
2 мин | Учитель демонстрирует цилиндр со свободным поршнем: "Посмотрите, что произойдёт, если газ внутри цилиндра нагреть или увеличить его давление. Почему поршень может подняться? На проблемный вопрос ответим в конце: как расширение газа превращается в полезную работу?" | Наблюдают за положением поршня, высказывают гипотезы: "Газ давит на поршень", "При нагревании частицы движутся быстрее". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что газ способен перемещать поршень. Теперь вспомним, какие знания о внутренней энергии и работе уже помогут нам объяснить это наблюдение."
Этап 2. Актуализация знаний и выявление затруднения (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о внутренней энергии, теплопередаче и механической работе.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель организует приём "Подумай — обсуди в паре — поделись": "Вспомните, от чего зависит внутренняя энергия газа. За счёт каких процессов она может изменяться? Запишите по одному примеру и обсудите его с соседом." | Индивидуально записывают ответ, затем обсуждают в паре и формулируют: "Внутренняя энергия изменяется при теплопередаче и совершении работы". |
3 мин | Учитель показывает утверждения на доске: «Газ получил энергию; поршень переместился; газ совершил работу; энергия исчезла». Спрашивает: "Какое утверждение требует уточнения? Куда переходит энергия? Что именно является телом, совершающим работу?" | Отмечают согласие или несогласие, исправляют утверждение: "Газ совершает работу над поршнем, а его внутренняя энергия может уменьшаться, если не происходит достаточного подвода теплоты". |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы знаем, что работа связана с перемещением тела, но пока не описали весь механизм. Сформулируем цель и найдём объяснение по опыту, учебному тексту и схеме."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (3 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и критерии успешного ответа.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель обращается к классу: "Запишите проблемный вопрос: как газ или пар при расширении совершают работу? Второй вопрос будет практическим: как этот процесс повторяется в двигателе внутреннего сгорания?" | Записывают два вопроса в тетрадь и предлагают цель: "Понять работу расширяющегося газа и научиться объяснять четыре такта двигателя". |
2 мин | Учитель фиксирует на доске план: наблюдение опыта, чтение фрагмента учебника, построение цепочки превращения энергии, анализ четырёх тактов, самостоятельное задание. "В конце вы должны будете объяснить работу двигателя без подсказки." | Сверяют план с предложенной целью, выбирают роль в группе: читатель, наблюдатель, составитель схемы или докладчик. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Цель определена: от наблюдения расширения газа мы перейдём к устройству двигателя. Начинаем с практического опыта, потому что физическое объяснение должно опираться на факт."
Этап 4. Открытие нового знания: работа газа и пара при расширении (8 мин)
Цель этапа: установить по опыту, что расширяющийся газ совершает механическую работу и передаёт энергию поршню.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель проводит демонстрацию со шприцем: "Плотно закройте отверстие пальцем и медленно нажмите на поршень, а затем отпустите его. Обратите внимание на сопротивление и движение. Теперь представьте, что давление газа внутри стало больше внешнего. В какую сторону будет двигаться поршень?" | Наблюдают за движением поршня, фиксируют: "Газ давит на поршень; при большем давлении поршень перемещается наружу". |
3 мин | Учитель показывает схему на доске и проговаривает: "Когда газ расширяется, его граница перемещается. Если газ действует на поршень и перемещает его, газ совершает механическую работу. При нагревании внутренняя энергия газа увеличивается, а затем часть энергии передаётся поршню." Учитель записывает цепочку. | Записывают цепочку: «нагревание газа → увеличение внутренней энергии → расширение → перемещение поршня → механическая работа». Объясняют её соседу. |
2 мин | Учитель предлагает прочитать соответствующий фрагмент учебника и найти два предложения о работе газа или пара. "Подчеркните причину работы и её результат. Сравните свой вывод с текстом." | Читают фрагмент учебника, подчёркивают ключевые слова, формулируют вывод: "Газ или пар при расширении могут совершать работу, перемещая поршень". |
Запись в тетрадях
Газ или пар совершают механическую работу при расширении, если перемещают поршень или другое тело. Энергия, сообщённая газу при нагревании, может превращаться в механическую энергию движения.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы установили главный механизм: расширение газа вызывает перемещение поршня, а перемещение означает совершение работы. Теперь рассмотрим устройство, в котором этот процесс повторяется циклически."
Этап 5. Исследование устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (10 мин)
Цель этапа: по схеме, учебному тексту и цифровой анимации определить назначение деталей и последовательность четырёх тактов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает крупную схему двигателя и анимацию: "Найдите цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, свечу и два клапана. Двигатель работает не одним движением, а четырьмя последовательными тактами. Во время просмотра останавливаю анимацию после каждого такта." | Показывают детали на схеме, подписывают их в листе наблюдений, задают уточняющие вопросы о движении поршня и клапанов. |
4 мин | Учитель раздаёт группам карточки четырёх тактов и просит восстановить порядок: "Опирайтесь на движение поршня и состояние клапанов. Не угадывайте по памяти: найдите подтверждение в учебном тексте и анимации." | В группах раскладывают карточки, читают учебный текст, сопоставляют изображения и названия, готовят общий вариант. |
3 мин | Учитель проверяет последовательность и комментирует: "Впуск: поршень движется вниз, открыт впускной клапан. Сжатие: поршень движется вверх, клапаны закрыты. Рабочий ход: смесь воспламеняется, газы расширяются и толкают поршень вниз. Выпуск: поршень движется вверх, открыт выпускной клапан." | Сверяют карточки с эталоном, заполняют таблицу четырёх тактов и формулируют: "Работу в двигателе выполняют расширяющиеся газы после сгорания топлива". |
Запись в тетрадях
Четыре такта двигателя: 1) впуск; 2) сжатие; 3) рабочий ход; 4) выпуск. Полезную механическую работу совершает расширяющийся газ во время рабочего хода.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Теперь у нас есть и общий механизм, и конкретная модель двигателя. Проверим понимание на заданиях: сначала вместе, затем каждый самостоятельно выберет посильный уровень."
Этап 6. Первичное закрепление и дифференцированная практика (7 мин)
Цель этапа: применить новое знание к схеме, последовательности тактов и причинно-следственной цепочке.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель предлагает базовый уровень: "Вставьте пропуски: при расширении газ перемещает ..., поэтому совершает ... . Во время рабочего хода клапаны ..., поршень движется ..., а газы ... ." После выполнения организует взаимопроверку по доске. | Заполняют пропуски: "поршень; работу; закрыты; вниз; расширяются". Обмениваются карточками и исправляют ответы. |
2 мин | Учитель предлагает повышенный уровень: "Объясните, почему двигатель не совершает полезную работу во время каждого такта. Ответьте двумя связанными предложениями." | Формулируют: "Рабочая работа происходит при расширении газов. Во время впуска, сжатия и выпуска энергия затрачивается на подготовку рабочего цикла или удаление отработанных газов". |
2 мин | Учитель предлагает дополнительный уровень на выбор: "Составьте собственную схему превращения энергии в двигателе или объясните, как изменится работа, если расширяющийся газ будет перемещать более тяжёлый поршень." | Выбирают одно задание, создают схему или объяснение, представляют результат соседу и получают устную обратную связь. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы применили понятие работы газа к разным ситуациям и увидели, что правильный ответ требует указать и действие газа, и перемещение тела. Теперь проверим результат индивидуально."
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (6 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание темы и умение объяснять работу двигателя.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней: "Выберите уровень по собственной уверенности. Базовый: подпишите четыре такта и детали. Средний: установите соответствие между тактом, движением поршня и клапанами. Повышенный: объясните, почему рабочий ход связан с расширением газа. Работайте молча четыре минуты." | Индивидуально выполняют выбранный вариант: подписывают схему, устанавливают соответствия или пишут объяснение с причинно-следственной связью. |
2 мин | Учитель выводит эталон: "Проверьте не только итог, но и физическое объяснение. Отметьте плюс рядом с верным пунктом и исправьте одну ошибку зелёной ручкой." | Сверяют работу с эталоном, подсчитывают верные пункты, исправляют ошибки, показывают карточку светофора: зелёная — всё понятно, жёлтая — нужна тренировка, красная — требуется объяснение. |
Эталон решения
Рабочий ход: смесь топлива и воздуха сгорает, температура и давление газа увеличиваются. Расширяющийся газ действует на поршень и перемещает его вниз. Через шатун движение передаётся коленчатому валу, поэтому газ совершает механическую работу.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Самостоятельная работа показала, что большинство уже умеет читать схему двигателя. Осталось осознать, что именно стало понятным и где ещё нужна тренировка."
Этап 8. Рефлексия, межпредметная связь и домашнее задание (3 мин)
Цель этапа: обобщить результат, связать физику с технологией и экологией и определить дальнейшую работу.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель предлагает приём "Одноминутная бумага": "Закончите три фразы: «Газ совершает работу, когда...», «Главный такт двигателя — это...», «Мне нужно повторить...»." | Записывают три продолжения, формулируют личный результат урока. |
1 мин | Учитель организует межпредметную связь: "Вспомните, где ещё встречаются процессы горения и превращения энергии: в химии, технологии, географии, экологии. Почему современным инженерам важно повышать КПД и уменьшать выбросы?" | Называют связи с химией, технологией и экологией, отвечают: "Нужно экономить топливо и уменьшать загрязнение воздуха". |
1 мин | Учитель объявляет домашнее задание и задаёт контрольный вопрос: "Почему именно расширяющийся газ выполняет полезную работу? Ответьте одной полной фразой перед выходом." | Записывают задание, отвечают: "Потому что при расширении газ перемещает поршень и передаёт ему энергию". |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — правильно объяснена работа расширяющегося газа, без ошибок установлены четыре такта и подписаны основные детали двигателя; причинно-следственная цепочка сформулирована полностью.
- «4» — верно выполнены задания базового и среднего уровня, допущена одна неточность в названии детали, направлении движения поршня или объяснении превращения энергии.
- «3» — правильно названы работа газа и хотя бы два такта двигателя, но имеются две или более ошибки в последовательности, движении поршня или состоянии клапанов.
- Ниже уровня «3» — ответ фрагментарный: требуется повторить цепочку «нагревание — расширение — перемещение поршня — работа» и выполнить дополнительную тренировочную карточку.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о работе газа и пара при расширении? | Выявление осознания основного физического механизма. |
Какой такт двигателя удалось объяснить лучше всего и почему? | Проверка понимания последовательности и причин роли рабочего хода. |
На каком шаге возникло затруднение: детали, клапаны, движение поршня или превращение энергии? | Выявление конкретной точки затруднения для коррекции. |
Какой уровень задания вы выбрали и готовы ли перейти к следующему? | Определение субъективной оценки освоения и готовности к усложнению. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы выяснили, что расширяющийся газ или пар могут перемещать поршень и совершать механическую работу. Мы проследили, как этот процесс реализуется в двигателе внутреннего сгорания, и установили роль рабочего хода. Частая ошибка — называть сгорание топлива самой работой; важно помнить, что полезную работу совершает расширяющийся газ, действующий на поршень. На следующем уроке мы продолжим изучать тепловые двигатели и обсудим эффективность их работы и экологические последствия."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Выучить определения работы газа при расширении и четырёх тактов двигателя; составить таблицу из четырёх строк с названием такта, движением поршня и состоянием клапанов. | Закрепляет терминологию и последовательность цикла; при проверке обратить внимание на точность направлений движения и работу клапанов. |
Средний (повышающий) | Решить 4–5 заданий на распознавание такта по рисунку или описанию и письменно объяснить, почему полезная работа совершается именно при расширении газа. | Формирует умение применять модель к новой ситуации; проверять наличие причинно-следственной связи, а не только правильного названия. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-сообщение объёмом 8–10 предложений о применении двигателя внутреннего сгорания в выбранной профессии или виде транспорта и предложить один способ снижения расхода топлива или выбросов. | Развивает межпредметные связи, функциональную грамотность и умение оценивать технологию с точки зрения эффективности и экологии. |
Контрольные вопросы перед выходом: «Какое тело совершает работу при рабочем ходе?», «Почему поршень перемещается?», «Какие два такта подготавливают рабочий ход?», «Куда передаётся энергия расширяющегося газа?»
