基于液壓傳動的原理自制三種創(chuàng)新教具

劉曉利 張軍朋

摘 要：本文以液壓傳動的原理為知識載體，自制三種創(chuàng)新教具：液壓千斤頂模型、汽車剎車系統(tǒng)模型和碎核桃神器。并將其應(yīng)用于高中物理研究性課堂的教學中，從技術(shù)應(yīng)用的角度展示物理學，突出物理學的實踐性和應(yīng)用性，并取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：液壓傳動；創(chuàng)新教具；高中物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）11-0053-3

液壓傳動是機械傳動方式中的一種，具有省力、傳動平穩(wěn)等特點，是現(xiàn)代自動化機械裝備中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一，在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用。學生對日常生活中的液壓傳動裝置有一定的感性認識，為了使學生更好地觀察液壓傳動裝置，了解液壓傳動裝置的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，筆者利用生活中常見的材料自制三種創(chuàng)新教具，將其應(yīng)用于高中物理研究性課堂的教學中，激發(fā)學生動手制作的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

1 液壓傳動的原理

2 自制三種創(chuàng)新教具

2.1 液壓千斤頂模型

液壓千斤頂是生活中常見的起重裝置。本文通過設(shè)計和制作液壓千斤頂模型，不僅實現(xiàn)液壓千斤頂?shù)膬?nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程可視化，同時實現(xiàn)用小力就能把人頂起來的演示效果，讓學生體會液壓傳動的神奇魅力。

（1） 所需材料

1個20 mL的塑料針筒，4個200 mL的塑料針筒，1個塑料單向閥（開啟壓力趨近于0 MPa），1個304不銹鋼材質(zhì)的單向閥（通徑3 mm、開啟壓力0.1 MPa），1個304不銹鋼材質(zhì)的截止閥（通徑3 mm、耐壓≤6.4 MPa），4個304不銹鋼六角寶塔接頭（通徑3 mm，外接6 mm、8 mm），1個等徑T型三通寶塔塑料接頭（最小外徑5.6 mm），2個等徑寶塔塑料彎接頭（最小外徑5.6 mm），1個六通寶塔塑料接頭（最小外徑6.4 mm），1個儲水容器，3 m耐壓硅膠軟管，1個50 cm×40 cm×50 cm的木質(zhì)框架，1個20 cm×20 cm×1 cm的木板。

（2）模型制作

①在木質(zhì)框架的上表面打1個半徑為1 cm的洞，4個半徑為2.5 cm的洞（如圖2）。

②將20 mL的針筒放入半徑為1 cm的洞中，將4個200 mL的針筒分別放入半徑為2.5 cm的洞中，并用熱熔膠將針筒與上表面粘合，達到固定的效果。

③按照液壓千斤頂模型的CAD圖（如圖3），將各個通路進行組裝。必須注意的是：在耐壓硅膠軟管和針筒連接處，必須要用高強度AB膠水粘合，再用防水膠帶纏好（如圖4），保證裝置處于完全密閉的狀態(tài)，滿足液壓傳動原理成立的條件。

④將規(guī)格為20 cm×20 cm×1 cm的木板，放在4個大針筒的活塞上，并用螺絲釘將木板和4個活塞裝訂在一起，組成液壓千斤頂模型的大活塞， 這樣制作的目的是為了保證4個大針筒的活塞能夠同時升起，保證模型的穩(wěn)定性。

⑤調(diào)試裝置，完成液壓千斤頂模型的制作（如圖5）。

（3）教學演示

①演示前，將裝置放在水平地面上，關(guān)閉截止閥，在儲油池中放入適量清水；讓一位學生坐在大活塞上。

②提拉小活塞，單向閥1關(guān)閉，單向閥2打開，儲油池中的液體單向地流入小針筒。

③按壓小活塞，單向閥2關(guān)閉，單向閥1打開，液體單向地流入大針筒。

④反復(fù)地提拉、按壓小活塞，儲油池中的液體經(jīng)小針筒源源不斷地流入大針筒，頂起坐在大活塞上的學生。

⑤打開截止閥，由于大活塞及負載的重力作用，大針筒里的液體會緩緩流回儲油池，坐在大活塞上的學生下落，實現(xiàn)液體的循環(huán)利用。

⑥演示結(jié)束后，將儲油池中的水取出，保證裝置處于干燥的環(huán)境中。

2.2 汽車剎車系統(tǒng)模型

汽車剎車系統(tǒng)模型主要由省力杠桿裝置和液壓傳動裝置兩部分組成。

（1）所需材料

1個20 mL的塑料針筒，2個100 mL的塑料針筒，1 m耐壓硅膠軟管，1個半徑為8 cm的圓形轉(zhuǎn)盤，1個彈簧，1個長為30 cm的鋁桿，1個12 cm的塑料空管，2個15 cm×5 cm×3 cm的有機玻璃板，2個5 cm×5 cm×3 cm的有機玻璃板，2個7 cm×5 cm×3 cm的有機玻璃板，1個10 cm×2 cm×3 cm的有機玻璃板，1個長為5 cm的木棒，1個40 cm×20 cm×2 cm的木質(zhì)底架，1個等徑T型三通寶塔塑料接頭（最小外徑5.6 mm）。

（2）模型制作

①液壓傳動裝置的制作：利用熱熔膠將寬為5 cm的6塊有機玻璃板按照圖6所示進行粘合，并固定在底架上；在離地面高為12 cm的位置打孔，將5 cm長的木棒插入其中充當轉(zhuǎn)軸，并將轉(zhuǎn)盤（可視為車輪）套在轉(zhuǎn)軸上；將2個100 mL的塑料針筒從中間位置截開，用熱熔膠將其分別固定在兩個三角形臺面上；將彈簧套入20 mL針筒的活塞桿上，并用熱熔膠將針筒筒壁與規(guī)格為10 cm×2 cm×3 cm的有機玻璃板進行粘合，固定在底架上；利用耐壓硅膠軟管和T型三通接頭將小針筒和兩個大針筒連接在一起組成液壓傳動的裝置。

②省力杠桿裝置的制作：將12 cm的塑料空管固定在底架上；用鉆機在塑料空管的頂端部位和鋁桿末端部位打孔，并用細鐵棒連接在一起，將鋁桿放在小活塞上組成省力杠桿裝置。其中，連接點可視為杠桿裝置的支點，且動力臂總大于阻力臂。

③調(diào)試整個裝置，完成汽車剎車系統(tǒng)模型的制作（如圖7）。

（3）教學演示

轉(zhuǎn)動車輪，輕輕按壓杠桿末端，產(chǎn)生的小力通過杠桿裝置第一次被放大，然后作用在小活塞上，經(jīng)液壓傳動裝置第二次放大，最終作用在轉(zhuǎn)動的車輪上面，迅速實現(xiàn)制動；鋁桿在彈簧的彈力作用下，自動恢復(fù)原來的位置。

2.3 碎核桃神器

（1）所需材料

1個200 mL的塑料針筒，1個20 mL的塑料針筒，30 cm耐壓硅膠軟管，1個20 cm×17 cm×3 cm的1號木板、1個20 cm×4 cm×1.5 cm的2號木板、1個20 cm×12 cm×1.5 cm的3號木板，2個35 cm×5 cm×1 cm的4號木板。

（2） 模型制作

①對1號木板進行切割，在頂端中間部位向下打半徑為0.25 cm、高度為5 cm的洞。

②在2號木板中間打出半徑為2 cm的凹槽。

③將處理過的1號木板、2號木板、3號木板和4號木板裝訂在一起（如圖8），完成碎核桃神器木架的制作。

④利用高強度AB膠水和防水膠帶，將200 mL的針筒與硅膠軟管的一端連接在一起，插入1號木板；然后將硅膠軟管的另一端與小針筒連接在一起，并進行密封處理。

⑤調(diào)試整個裝置，完成碎核桃神器的制作。

（3）教學演示

將核桃放在凹槽中，迅速地推動小活塞，作用在小活塞上的力經(jīng)液體的傳遞在大活塞上得到一個很大的力，最終作用在核桃上，成功碎核桃。

通過教學演示，學生直觀地觀察到液壓傳動裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作過程，體會物理學與技術(shù)相結(jié)合的神奇魅力。三種自制教具取材容易、制作簡單，具有創(chuàng)新性、可行性和實用性。在物理研究性課堂的教學中，教師可組織學生親身參與液壓傳動裝置的設(shè)計和制作，外顯學生習得的知識和能力，讓學生在“做”中學習物理學的知識，幫助學生加深理解物理學與技術(shù)的互動關(guān)系，提高學生在設(shè)計、制作和創(chuàng)新方面的綜合實踐能力。

參考文獻：

[1]課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書（選修2-2）[M].北京：人民教育出版社，2007：38-41.

[2]付榮興.人教版普通高中物理課程標準實驗教科書選修2系列的編寫思想[J].中學物理教學參考，2007，36（11）：2-4.

[3]姚良炬.自制教具在物理教學中的作用[J].物理教學探討，2017，35（4）：16-18.（欄目編輯 王柏廬）