Конспект уроку з фізики "Манометри. Насоси. Гідравлічні машини"

Урок 4

Тема уроку: Манометри. Насоси. Гідравлічні машини.

Мета уроку:

• розглянути будову, принцип дії та призначення відкритого рідинного та металевого манометра, гідравлічних машин та насосів;
• ознайомити учнів із використанням закону Паскаля в гідравлічних машинах, насосах та манометрах;
• експериментально підтвердити  вираз F₁/F₂ = S₁/S_2;
• ознайомити учнів із  застосуванням манометрів, насосів та гідравлічних машин в  народному господарстві;

• закріпити навички самостійності мислення учнів щодо застосуванню знань з певної теми в різних ситуаціях;
• розвивати вміння робити висновки зі спостережень;
• формувати інтерес до вивчення предмету фізика.

Обладнання: рідинні манометри, прищепки, повітряні кульки, два медичних шприца різного об’єму, металевий манометр, комп’ютерні моделі насосу та гідравлічних машин, листок паперу, кольорові сигнальні картки.

Тип уроку: урок-дослідження.

Хід уроку

І. Організаційний момент

Пропоную вам написати на полях зошита одне з слів, що визначає ваш настрій зараз із з тих, що я назву: стривожений, спокійний, роздратований, байдужий,  радісний. Наприкінці уроку ми з’ясуємо, чи змінився ваш настрій.

ІІ. Актуалізація знань

Проводимо гру «Ромашка» (додаток В), яку можна замінити на експрес-контроль

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності:

Як ви гадаєте, чи може людина підняти слона без важеля, маючи лише з’єднані між собою циліндри та невелику кількість рідини? Звісно, на перший погляд – ні. Але автолюбителі за допомогою невеликого гідравлічного пристрою (гідравлічного домкрата) піднімають свій автомобіль для зміни колеса або для ремонту, а на заводах працюють гідравлічні преси, які штампують деталі машин із металевих заготівок.

Сьогодні на уроці ви дізнаєтесь, як можна прикласти меншу силу, а отримати більшу; які прилади використовують для вимірювання тиску, яку будову ці прилади мають та як працюють.

ІV. Вивчення нового матеріалу:

Як ви знаєте, атмосферний тиск вимірюється барометром. А от для вимірювання тисків, більших або менших від атмосферного, використовують манометри (від грецьких слів «манос» - рідкий, щільний та «метрео» - вимірюю).

Манометри бувають: рідинні та металеві.

Розглянемо принцип роботи та будову відкритого рідинного манометра.

Експериментальне завдання:

Кожній парі учнів видається рідинний манометр з гумовою трубкою, прищепка та кулька.  Потрібно надути повітряну кульку та прикріпити її до одного з країв гумової трубки з прищепкою на ній. Після цього знімимо прищепку. Що ми спостерігаємо?

Якщо злегка натиснути пальцем на кульку, то рівень рідини в коліні манометра, сполученого з кулькою, знизиться, а в другому коліні – підвищиться.

Як ви гадаєте, чим це пояснюється? Від натискання на плівку кульки тиск повітря в ній збільшується. За законом Паскаля це збільшення тиску передається і рідині в тому коліні манометра. Тому тиск на рідину в цьому коліні буде більший, ніж у другому, де на рідину діє атмосферний тиск. Під дією сили надлишкового тиску рідина почне переміщатися: в коліні із стиснутим повітрям рідина опуститься, у другому – підніметься. Рідина буде в рівновазі (зупиниться), коли надлишковий тиск стиснутого повітря зрівноважиться тиском, що його чинить надлишковий стовп рідини в другому коліні манометра.

Таким чином, про зміну тиску можна робити висновки за висотою надлишкового стовпа.

А якщо до гумової трубки приєднати коробочку  та опустити її в посудину з рідиною, то можна виміряти тиск усередині рідини. Що ми будемо спостерігати?( відповідь учнів)

Скажіть, а чи зручні у використанні такі манометри? (Звісно, ні). Чому? (Тому що вони дозволяють отримати значення тиску не відразу, а лише після деяких обчислень, крім того, рідину необхідно наливати до певного рівня).

Ось тому в техніці використовують металеві деформаційні манометри, які відразу показують вимірюваний тиск. Він був сконструйованим в 1848р. французьким вченим Е.Бурдоном.

За яким принципом влаштований і діє металевий манометр?

Основною частиною металевого деформаційного манометра є зігнута в дугу металева трубка, один кінець якої запаяний, а інший з’єднується за допомогою крана з резервуаром, де вимірюється тиск. Коли тиск у трубці зростає, вона починає розгинатися. Важіль та зубчаста передача з’єднують трубку зі стрілкою, яка рухається і вказує тиск на шкалі. Якщо тиск зменшується, трубка завдяки своїй пружності повертається в попереднє положення, а стрілка – до нульової поділки шкали. Шкала проградуйована в паскалях або атмосферах.

Експериментальне завдання 2:

Візьмемо  листок паперу та скрутимо його в трубочку. Потім закрутимо  її  в спіраль.  В один із країв трубки починаємо дмухати. Такий  принцип роботи металевий манометр.

А чи ефективні металеві манометри у використанні? (Так).

Чому? (Тому що вони відразу вказують величину тиску і не потрібно робити обчислення. Причому металеві манометри стійкі до механічних ушкоджень і більш надійні, ніж рідинні, але менш чутливі від рідинних манометрів).

Чи вірите ви, що найпершими гідравлічними машинами, що застосовувалися ще в стародавні часи, були всмоктувальні та нагнітальні насоси?

Давайте розглянемо спочатку будову всмоктувального насосу (демонстрація комп’ютерної моделі з супроводом коментаря вчителя)

Отже, який принцип роботи всмоктувального насоса?

А тепер розглянемо будову нагнітального  насосу (насос з повітряною камерою). (демонстрація комп’ютерної моделі з супроводом коментаря вчителя з допомогою учнів).

Як ви гадаєте, на яку максимальну висоту або з якої глибини можна підняти воду за допомогою таких насосів? Поршневим рідинними насосами можна качати воду лише з глибини до 10 м.

Поршневий компресор – це теж нагнітальний повітряний насос, поршень якого приводиться в дію двигуном. Компресор подає стиснене повітря в пневматичні інструменти (демонстрація анімації  моделі компресора).

Ми з вами розглянути насоси, що створила людина.

Чи знаєте ви які насоси, створила жива природа?

Наше серце є насосом, бо воно працює впродовж життя людини. Під час скорочення серцевого м’яза кров під тиском виштовхується із серця в артерії (спеціальні клапани не пускають її назад). Коли ж серцевий м’яз розслабляється, він заповнюється венозною кров’ю. (Читаємо: Це цікаво знати… ст.104)

А яким приладом вимірюють кров’яний тиск? (Тонометром.)

(демонстрація тонометрів та вимірювання тиску в одного з учні)

Ще один приклад застосування закону сполучених посудин є гідравлічні машини. Слово «гідравлічні» походить від грецького слова «гідравлікос» - водяний, але частіше в гідравлічних машинах використовують мінеральне масло.

Основною частиною будь-якої гідравлічної машини є два циліндри різного діаметра, що з’єднані трубкою. Циліндри заповнені рідиною і закриті поршнями, які щільно прилягають до стінок циліндрів. Висоти стовпів рідини в обох циліндрах однакові, доки на поршні  не діють сили.

Експериментальне завдання 3:

Візьмемо два  медичних шприца і з’єднаємо їх між собою гумовою прозорою трубкою. В більший шприц набираємо підфарбовану рідину. Після починаємо тиснути  на поршень.  Ми бачимо, що  рідина в меншому шприці піднімається набагато швидше ніж у першому. Поясни, чому поршень великого шприца пересунувся на відстань меншу , ніж поршень маленького шприца .(Відповідь учнів)

Ось у цьому і полягає принцип роботи гідравлічної машини.

Розглянемо гідравлічну  машину. Нехай перший поршень має площу S₁, а другий – S₂, тоді F₁ та F₂ – сили, що діють на поршні. Тиск під малим поршнем (першим) дорівнює , а під великим (другим) дорівнює . За законом Паскаля тиск у всіх точках нерухомої рідини однаковий, тобто  р₁=р₂,  або .

 Користуючись властивістю пропорції, цьому співвідношенню можна надати такого вигляду: .

Отже, дивлячись на останнє рівняння, скажіть, за якої умови гідравлічна машина дає виграш у силі?

Практичним застосуванням цього правила є гідравлічний прес, підйомник та безліч інших пристроїв.

Розглянемо будову та принцип дії гідравлічного преса. (демонстрація відеофрагменту «Гідравлічний прес»).

Де використовують гідравлічні преси? (Їх використовують під час виготовлення сталевих валіз і кузовів машин, залізничних коліс, соку виноградного та олії із соняшникового насіння, халви).

VI. Узагальнення знань

Інтерактивна вправа «Світлофор»

Учитель зачитує твердження. Учні відповіда­ють за допомогою сигнальних кольорових карток:

•    зелений колір (з) — правильно;

•    червоний (ч) — ні;

•  жовтий (ж) — твердження не стосується теми.

Твердження:

1. Гідравлічна машина складається з двох спо­лучених циліндрів різного діаметра, з яких викачано повітря і закрито рухомими поршнями. (ч)

2. За допомогою гідравлічної машини малою силою можна зрівноважити велику силу. (з)

3.  Максимальна висота, на яку можна підняти воду за допомогою насоса, визначається діаметром труби, по якій підіймається вода. (ч)

4. Сила тиску рідини, що діє на поршень, обернено пропорційна площі поршня. (ч)

5. Дію гідравлічної машини можна пояснити, спираючись на закон Паскаля. (з)

6. Гідравлічний домкрат складається з двох циліндрів різних діаметрів і поршнів, розміще­них у них. Поршень малого діаметра одночасно є і поршнем насоса, який нагнітає масло в циліндр великого діаметра. (з)

7. За допомогою гідравлічного домкрата підій­мають автомобіль масою 1 т, прикладаючи силу 500 Н. Отже, площа великого поршня більша від площі малого у два рази, (ч)

VII. Домашнє завдання

Вивчити параграфи  §