ТЕМА 3. РУКОТВОРНЫЕ СИСТЕМЫ

УРОК 24

ТЕМА. МАШИНЫ, ИХ РОЛЬ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА. ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛЫ, ИЗ КОТОРЫХ ИЗГОТАВЛИВАЮТ МАШИНЫ

Цель урока: обучающая - выяснить главное отличие машин от механизмов, ознакомить с названием и функциями трех главных частей любой машины, а также современными материалами, из которых изготавливают машины; развивающая - развивать творческие способности учащихся, наблюдательность и логическое мышление; воспитательная - воспитывать у школьников уважение к человеческого труда, бережное отношение к имуществу, убеждать в торжестве разума над беспомощностью.

Основные понятия: машины, рабочий орган, двигатель, комбайн, каркас, сплавы, композиты. Методы урока: словесный (беседа), сравнительный.

Оборудование: линейка, ластик, фотографии или рисунки с изображением современных машин (автомобиль, компьютер, швейная машина, стиральная машина, телевизор и т.д).

Тип урока: усвоение новых знаний и умений.

Межпредметные связи: физика (7 класс).

Структура урока

И. Проверка домашнего задания

II. Сообщение темы, цели и задач урока

III. Актуализация опорных знаний учащихся, их предшествующего опыта

IV. Изложение основного материала

1. Из каких основных частей состоит каждая машина.

2. В чем заключается функция рабочего органа машины.

3. В чем заключается функция двигателя машины, какие типы двигателей бывают.

4. Что называют комбайном.

5. Материалы, из которых изготавливают современные машины, их главные свойства.

V. Подведение итогов урока

VI. Домашнее задание

Ход урока

И. ПРОВЕРКА ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ

- Вопросы и задания к ученикам

1. Сформулируйте определения механической работы. Напишите на доске формулу, по которой вычисляют работу.

2. Что называют энергией? Вспомните известные вам виды энергии.

3. Практическое задание. Положить линейку одним концом на край стола так, чтобы не менее половины длины линейки свисали с края стола. Придерживая часть линейки, что лежит на столе, учитель рукой оттягивает второй конец линейки вниз.

- Что происходит с линейкой? (Она согнулась, деформировалась.)

- Будет ли она в таком состоянии иметь энергию, то есть способность выполнять работу? (Да, будет.)

- Как доказать, что в таком состоянии линейка имеет энергию, то есть способность выполнять работу? (В таком состоянии линейка способна переместить в пространстве какое-то несложное тело, например резинку. Для этого нужно на оттянутый книзу конец линейки положить это тело и отпустить линейку. Линейка подбросит тело вверх.)

4. Заполните правый столбик таблицу собственными примерами (задание выполняется письменно на доске).

5. Докажите, что пища, которую мы употребляем, имеет внутреннюю энергию.

II. СООБЩЕНИЕ ТЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧ УРОКА

III. АКТУАЛИЗАЦИЯ ОПОРНЫХ ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ, ИХ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО ОПЫТА

Сначала для облегчения своего труда человек изобрел простые механизмы.

- Вспомните примеры простых механизмов. (Колесо, винт, коловорот, блок, клин, рычаг, наклонная плоскость.)

Объединив несколько простых механизмов, человек получил сложные механизмы. Но и этого оказалось мало. Нужны были более сложные устройства, которые помогали бы человеку выполнять необходимую работу. Так появились машины.

- Задания в рабочей тетради

IV. ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА

- Слово учителя

В отличие от механизмов, машины - очень сложные устройства. Слово «машина» начали широко использовать только в XVIII в. во Франции. Во время индустриальной революции, начавшейся в этой стране, во многих производствах стали использовать машины. В переводе с французского языка это слово означает «устройство, работа».

1. Из которых основных частей состоит каждая машина

Каждая машина состоит из трех главных частей: Двигатель + рабочий орган + связующий механизм.

Двигатель потребляет и преобразует энергию.

Рабочий орган машины выполняет полезную для человека работу.

Связующий механизм сочетает рабочий орган и двигатель.

2. В чем заключается функция рабочего органа машины 0 Беседа

- Что является рабочим органом любого транспортного средства (тачки, велосипеда, поезда)? (Колесо.)

- Каково главное назначение рабочего органа? (Перемещение грузов и людей.)

- Что является рабочим органом дрели? (Сверло.)

- Каково главное назначение сверла? (Сверлить отверстия в материалах.)

- Как называется рабочий орган телевизора? {Экран.)

- Каково главное назначение экрана? (Передавать изображение.)

3. В чем задача двигателя машины, какие типы двигателей бывают

- На какие виды разделяют двигатели в зависимости от вида энергии, которую они потребляют? (Электрический (у пылесоса, микроволновой печи, холодильника), двигатель внутреннего сгорания (автомобиля, грузовики) и дизельный (у тепловоза, грузовики, теплохода).)

- Какой вид энергии используют двигатель внутреннего сгорания и дизельный двигатель? (Химическую энергию топлива: бензина или солярки.)

Итак, главное отличие машин от механизмов - преобразование энергии из одного вида в другой.

4. Что называют комбайном

Для современных машин характерно сочетание нескольких машин в одну. Машину, которая может выполнять несколько различных функций, называют комбайном, от английского combine - соединения.

- Какие задачи может выполнять кухонный комбайн? (Он сочетает мясорубку, миксер, соковыжималку и кофемолку.)

- Какие операции выполняет сельскохозяйственный комбайн? (Собирает урожай и осуществляет его первичную обработку (обмолачивает зерно или измельчает чайные листья).)

- Какие функции сочетает современный мобильный телефон? (Кроме телефонной связи и передачи сообщений, в нем есть фото - и видеокамера, возможность выхода с телефона в Интернет, электронная записная книжка.)

5. Материалы, из которых изготавливают современные машины, их главные свойства

- Из каких материалов человек делала первые механизмы? (Из камня, дерева, кожи и жил животных.)

- Какие современные материалы используют при изготовлении машин в наши дни? (Металлы, пластмассы, керамику, резину (натуральную и искусственную), стекло.)

- Какими свойствами обладают характеризоваться современные материалы, которые используют для изготовления машин? (Современные конструкционные материалы должны быть прочными, устойчивыми к износу и ржавления, легкими и привлекательными на вид.)

Очень часто один материал не имеет всех необходимых качеств, тогда для создания одной детали используют сочетание двух или нескольких материалов, каждый из которых своими свойствами дополняет другие.

- Например, рамы современных окон часто изготовят не из древесины, что требует периодического окрашивания и быстро гниет под воздействием атмосферной влаги, а из других материалов. Каких именно? (С метало-пластика. Металлический каркас (основа) таких рам придает им прочности, а внешнее пластиковое покрытие (часто под цвет натуральной древесины) делает эти рамы красивыми и устойчивыми к износу.)

- Из каких материалов изготавливают современные зубные протезы? (Из металлокерамики. Металлическая основа такого зубного протеза - гарантия его прочности, а внешняя керамическая форма повторяет вид живого зуба.)

Материалы, в состав которых входит несколько компонентов, получивших название композиты (от лат, composio - сборки).

Еще одна группа материалов, которых не существует в природе,- сплавы. Сплав - это однородный материал, который получают путем плавления (соединение в жидком состоянии) двух или более металлов. В современном машиностроении почти не используют чистые металлы, которые состоят из атомов только одного химического элемента. Сплавы тверже, прочнее, не боятся контакта с водой (не ржавеют). Примерами сплавов могут быть латунь (сплав меди с цинком), бронза (сплав меди с оловом), легированная сталь (сплав железа с другими металлами -- никелем, титаном). Титановые сплавы легкие и могут не терять прочности при температурах 500-800 °С. Они незаменимы в авиации и космической технике.

- Задания в рабочей тетради

V. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ УРОКА

- Вопрос к ученикам

- В чем главное отличие машин от механизмов? (Машины преобразующие один вид энергии в другой.)

- Как называется часть машины, что осуществляет эти преобразования? (Двигатель.)

- Как называется часть машины, что выполняет полезную для человека работу? (Рабочий орган.)

- Если каждая машина - сочетание многих сложных деталей, созданных и собранных человеком, чем тогда каждая машина? (Рукотворной системой.)

VI. ДОМАШНЕЕ ЗАДАЧА

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ К УРОКУ

Вещества и материалы, из которых изготавливают машины

Металлы

Металлы - это простые вещества, которым присущи при обычных условиях характерные свойства: высокая электро - и теплопроводность, пластичность, ковкость и т.д. В твердом состоянии они имеют кристаллическое строение.

Знакомство человека с некоторыми металлами, например с золотом, серебром, медью, оловом, свинцом, железом, ртутью, началось еще в далекой древности. По мере их использования и изучения была составлена классификация. Согласно с ней, металлы делятся на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (медь, цинк, свинец, олово, никель и т.д.). Цветные металлы, в свою очередь, подразделяют на тяжелые, с плотностью, большей чем у железа (медь, ртуть, олово и т.п.), легкие (алюминий, магний, бериллий, литий), благородные (золото, серебро, платина) и редкие (ванадий, вольфрам, молибден, тантал т.п.).

Среди важнейших для современной техники металлов наиболее распространенными в природе являются алюминий (8,8 %), железо (5,1 %), магний (2,1 %) и титан (0,6 %). их выплавляют из руд, в чистом виде они в природе не встречаются. Самородные, то есть чистые металлы, например золото, в природе встречаются очень редко.

Руда - это смесь различных минералов, один или два из которых - металлы. Руду добывают и готовят к переработке горнодобывающие предприятия. Так, железорудные месторождения разрабатывают двумя способами. Если руда залегает глубоко - то в шахтах, если близко к поверхности - то так называемым открытым способом, то есть в карьерах.

Руда содержит не только металлы, но и пустую (мертвую) породу (ненужные для промышленности примеси). Железную руду считают богатым, если доля железа в ней составляет 30-50 %. Залежей таких руд на Земле очень много.

Следует отметить, что крупные месторождения руд цветных металлов встречаются значительно реже. До богатых, например, относят руду, в которой содержится всего 3-5 % чистой меди. Однако добыча руд цветных металлов чрезвычайно выгоден.

Добытую руду обогащают - отделяют пустую породу. Сначала руду измельчают в специальных мельницах. Причем, чем беднее руда, тем дороже ее первичная обработка и обогащение. Бедная руда требует особенно тщательного измельчения, некоторые руды приходится перетирать почти в пыль. Затем руду промывают водой или химическими растворами. Образовавшуюся смесь продувают воздухом, чтобы отделить от нее богатые металлы, а следовательно, более тяжелые компоненты. Эту операцию называют сепарацией (от лат, separatio - отделяю). Для отделения железа используют магниты. Цветные металлы из руды выделяют с помощью химических, электрохимических и гидрохимических методов. При этом для каждого металла используют свою технологию. В результате предварительной обработки получают концентрат с высоким содержанием металла. Но это еще не готовый, чистый металл, а только сырье для его изготовления.

Например, основным этапом производства железа и его сплавов является доменная переработка. Концентрат железной руды расплавляют в огромных печах (домнах) и получают чугун. Чугун после этого поступает на металлургические заводы, где его и превращают в сталь. Сталь варят из чугуна в смеси с металлоломом. Сталь разных марок отличается по составом, а следовательно, за химическими и физическими свойствами. Например, добавление к железу никеля дает іржостійку сталь. Специальную сталь с особыми физическими и химическими свойствами, выплавляют в электрических печах за сложными технологиями. Сталь и сплавы на основе железа, полученные этими способами, содержат минимальное количество примесей.

Химические материалы

Искусственные материалы - полимеры, нужны ли современному человеку не меньше, чем металлы. Пластмассы легкие, не ржавеют, а главное - очень удобны в обработке: им не сложно придать нужную форму, окраска, сделать поверхность гладкой, шероховатой или ребристой, нанести любой рисунок.

Преимущества пластичных материалов настолько очевидные, что они постепенно стали заменять и даже вытеснять металлы. Ученые создают новые, дешевые в производстве пластмассы, что не уступают, а часто многократно превосходят металлы за физическими и химическими свойствами. Одно из последних достижений - полимеры высокой прочности, способны выдерживать очень высокие и очень низкие температуры, устойчивы к воздействию наиболее едких химических веществ. Сырьем для производства искусственных материалов служат углеводороды различного химического состава. Так называют природные вещества, содержащие углерод (нефть, газ, каменный уголь). Нефть и природный газ добывают из скважин. Люди научились бурить скважины не только на земле, но и в морях, где буровые установки размещают на стационарных и плавучих платформах. Когда такие платформы соединяют мостами-переходами, образуются целые городка на сваях.

Добытое сырье перерабатывают на химических предприятиях в пластические материалы в виде порошков или гранул. Затем из них с помощью прессов и другого оборудования производят письма, трубы, стержни, волокна или пленки для различных технических устройств.

Стекло и керамика

Много материалов изготавливают на основе силикатов (от лат, silex - кремний) - окиси силиция оксида, с которого почти полностью состоит обычный песок. Если в песок добавить соли металлов и все это переплавить, то получится стеклянная масса. Из горячего жидкого стекла выдувают баллоны электрических лампочек, бутылки и тонкий химический посуда. С густой стеклянной массы отливают или штампуют более грубые изделия, например электрические изоляторы. Из нее производят даже заготовки строительных деталей (труб, стеклянных панелей и стекол). Для этого стеклянную массу продавливают сквозь щели нужной ширины, а затем прокатывают между валиками.

Полученное стекло отличается по оптическим, химическими и другими свойствами. В технике широко применяют кварцевое стекло: оно прекрасно пропускает ультрафиолетовые лучи и не трескается при резком изменении температуры. Жидкое стекло (знакомый многим силикатный клей) используют в строительстве для гидроизоляции. Когда в 1929 году советским мастерам удалось наладить производство особо прозрачного оптического стекла, это стало знаменательным событием в развитии отечественной техники, потому что до названного года артиллерийские и авиационные прицелы, бинокли и подзорные трубы, фотоаппараты приходилось завозить из-за границы.

Из силикатов изготавливают и современные керамические материалы. Самое распространенное сырье для них - обычная глина. Мягкая и пластична, она легко приобретает любую форму, а после обжига становится прочной керамикой. Кирпич из красной глины и керамические трубы необходимы в строительстве, из белой керамической массы (фарфора и фаянса) производят посуду, сантехнику, изоляторы. Керамику более сложной структуры применяют в электронике, ракетной технике и даже в оборонной промышленности: из нее изготавливают элементы брони военных машин.

Алмазы в технике

Алмаз - самый твердый минерал на Земли. Недаром его название происходит от греческого слова adamas - неодолимый. С помощью алмаза режут и шлифуют любые самые твердые материалы.

Это очень редкий камень (летний добыча поместится в одном грузовике) и на мировом рынке стоит гораздо дороже, чем золото. С давних времен ограненные алмазы - бриллианты - поражали и манили людей своим замечательным блеском и идеальной прозрачностью. Крупные бриллианты украшали короны императоров и царей, их троны и наряды. Такие бриллианты считали символами богатства и власти.

Однако ювелирные украшения можно производить примерно с пятой части всех алмазов, добываемых. Основное назначение драгоценных камней, как ни странно, техническое. Уже в Древнем Египте люди научились изготавливать из него очень прочные инструменты. С их помощью мастера вырезали изображения даже на граните. Сейчас алмазами обрабатывают детали с высокой точностью, получают прекрасную качество их поверхности, поэтому долговечность машин и механизмов увеличивается. Например, когда трущиеся части автомобильного двигателя стали шлифовать алмазными, а не абразивными кругами, пробег машины значительно увеличился. На алмазных кругах начали затачивать твердосплавные инструменты (сверла, резцы), и их прочность возросла более чем в десять раз, потому что при обработке алмазами на поверхности не остается дефектов, которые приводят к быстрому разрушению инструмента. Станки с алмазными резцами работают без наладки и регулирования в десятки и сотни раз дольше, чем со обычными.

Особую прочность этого камня свидетельствует и такой факт. Алмазным стеклорезом с кристаллом всего в один карат (200 мг) можно провести на стекле царапину длиной почти 400 тыс. километров - это расстояние от Земли до Луны.

Алмазными долотами бурят глубокие скважины в твердых породах. Сверла с режущей алмазной кромкой сверлят бетон в 8 раз быстрее, чем твердосплавные, и служат примерно в 90 раз дольше. Незаменимым является алмазный инструмент при обработке камня и стекла.

В производстве самого тонкого, диаметром около 0,01 миллиметра, вольфрамового провода для электрических ламп накаливания (а вольфрам - металл очень твердый) широко применяют алмазные волоки. Волока - это твердая пластинка с отверстием, через которое протягивают металл и получают проволоку. Сверлить отверстия в алмазе всегда было трудной задачей, но сейчас их пробивают лазерным лучом за доли секунды. Алмазные волоки позволяют получать проволоку, который точно соответствует заданным размерам, а это значит, что срок службы лампочки увеличивается.

Из всех технических алмазов 75 % используют в виде мелких порошков и паст. Ими полируют детали часов (рубиновые и сапфировые подшипники), каналы алмазных и твердосплавных волок, с их помощью ограновують ювелирные алмазы, обрабатывают поверхности штампов. Алмазы нужны также для изготовления измерительных приборов, стоматологических инструментов, даже пилочек для ногтей.

С каждым годом производство техники, а следовательно, и добычи природного сырья, во всех странах мира быстро растет. Поэтому люди всевозможными способами пытаются восполнить потери природы:

- вместо вырубленных лесов насаждают новые;

- использованную на заводах воду пытаются очистить и снова пустить в производство (такое использование очищенной воды и воздуха называют «предприятием замкнутого цикла»);

- для производства используют отходы, полученные при первичном производстве;

- снижают материалоемкость (количество использованных веществ) производства;

- там, где это возможно, применяют вторичное сырье - изделия, которые стали непригодными, используют как сырье для производства новых изделий из металлов, стекла, пластмассы и бумаги.

Однако не все виды сырья можно возобновить. Все ощутимее становится угроза истощения залежей руд цветных металлов, быстро сокращаются запасы нефти и газа. Ученые, инженеры и экономисты уже сегодня работают над проектами, которые позволят обеспечить существование человечества, когда месторождения полезных ископаемых будут полностью исчерпаны.