基于液压传动的原理自制三种创新教具

刘晓利 张军朋

摘 要：本文以液压传动的原理为知识载体，自制三种创新教具：液压千斤顶模型、汽车刹车系统模型和碎核桃神器。并将其应用于高中物理研究性课堂的教学中，从技术应用的角度展示物理学，突出物理学的实践性和应用性，并取得了良好的教学效果。

关键词：液压传动；创新教具；高中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）11-0053-3

液压传动是机械传动方式中的一种，具有省力、传动平稳等特点，是现代自动化机械装备中必不可少的关键技术之一，在生产生活中有着广泛的应用。学生对日常生活中的液压传动装置有一定的感性认识，为了使学生更好地观察液压传动装置，了解液压传动装置的工作原理和内部结构，笔者利用生活中常见的材料自制三种创新教具，将其应用于高中物理研究性课堂的教学中，激发学生动手制作的兴趣，培养学生的创新精神和实践能力。

1 液压传动的原理

2 自制三种创新教具

2.1 液压千斤顶模型

液压千斤顶是生活中常见的起重装置。本文通过设计和制作液压千斤顶模型，不仅实现液压千斤顶的内部结构和工作过程可视化，同时实现用小力就能把人顶起来的演示效果，让学生体会液压传动的神奇魅力。

（1） 所需材料

1个20 mL的塑料针筒，4个200 mL的塑料针筒，1个塑料单向阀（开启压力趋近于0 MPa），1个304不锈钢材质的单向阀（通径3 mm、开启压力0.1 MPa），1个304不锈钢材质的截止阀（通径3 mm、耐压≤6.4 MPa），4个304不锈钢六角宝塔接头（通径3 mm，外接6 mm、8 mm），1个等径T型三通宝塔塑料接头（最小外径5.6 mm），2个等径宝塔塑料弯接头（最小外径5.6 mm），1个六通宝塔塑料接头（最小外径6.4 mm），1个储水容器，3 m耐压硅胶软管，1个50 cm×40 cm×50 cm的木质框架，1个20 cm×20 cm×1 cm的木板。

（2）模型制作

①在木质框架的上表面打1个半径为1 cm的洞，4个半径为2.5 cm的洞（如图2）。

②将20 mL的针筒放入半径为1 cm的洞中，将4个200 mL的针筒分别放入半径为2.5 cm的洞中，并用热熔胶将针筒与上表面粘合，达到固定的效果。

③按照液压千斤顶模型的CAD图（如图3），将各个通路进行组装。必须注意的是：在耐压硅胶软管和针筒连接处，必须要用高强度AB胶水粘合，再用防水胶带缠好（如图4），保证装置处于完全密闭的状态，满足液压传动原理成立的条件。

④将规格为20 cm×20 cm×1 cm的木板，放在4个大针筒的活塞上，并用螺丝钉将木板和4个活塞装订在一起，组成液压千斤顶模型的大活塞， 这样制作的目的是为了保证4个大针筒的活塞能够同时升起，保证模型的稳定性。

⑤调试装置，完成液压千斤顶模型的制作（如图5）。

（3）教学演示

①演示前，将装置放在水平地面上，关闭截止阀，在储油池中放入适量清水；让一位学生坐在大活塞上。

②提拉小活塞，单向阀1关闭，单向阀2打开，储油池中的液体单向地流入小针筒。

③按压小活塞，单向阀2关闭，单向阀1打开，液体单向地流入大针筒。

④反复地提拉、按压小活塞，储油池中的液体经小针筒源源不断地流入大针筒，顶起坐在大活塞上的学生。

⑤打開截止阀，由于大活塞及负载的重力作用，大针筒里的液体会缓缓流回储油池，坐在大活塞上的学生下落，实现液体的循环利用。

⑥演示结束后，将储油池中的水取出，保证装置处于干燥的环境中。

2.2 汽车刹车系统模型

汽车刹车系统模型主要由省力杠杆装置和液压传动装置两部分组成。

（1）所需材料

1个20 mL的塑料针筒，2个100 mL的塑料针筒，1 m耐压硅胶软管，1个半径为8 cm的圆形转盘，1个弹簧，1个长为30 cm的铝杆，1个12 cm的塑料空管，2个15 cm×5 cm×3 cm的有机玻璃板，2个5 cm×5 cm×3 cm的有机玻璃板，2个7 cm×5 cm×3 cm的有机玻璃板，1个10 cm×2 cm×3 cm的有机玻璃板，1个长为5 cm的木棒，1个40 cm×20 cm×2 cm的木质底架，1个等径T型三通宝塔塑料接头（最小外径5.6 mm）。

（2）模型制作

①液压传动装置的制作：利用热熔胶将宽为5 cm的6块有机玻璃板按照图6所示进行粘合，并固定在底架上；在离地面高为12 cm的位置打孔，将5 cm长的木棒插入其中充当转轴，并将转盘（可视为车轮）套在转轴上；将2个100 mL的塑料针筒从中间位置截开，用热熔胶将其分别固定在两个三角形台面上；将弹簧套入20 mL针筒的活塞杆上，并用热熔胶将针筒筒壁与规格为10 cm×2 cm×3 cm的有机玻璃板进行粘合，固定在底架上；利用耐压硅胶软管和T型三通接头将小针筒和两个大针筒连接在一起组成液压传动的装置。

②省力杠杆装置的制作：将12 cm的塑料空管固定在底架上；用钻机在塑料空管的顶端部位和铝杆末端部位打孔，并用细铁棒连接在一起，将铝杆放在小活塞上组成省力杠杆装置。其中，连接点可视为杠杆装置的支点，且动力臂总大于阻力臂。

③调试整个装置，完成汽车刹车系统模型的制作（如图7）。

（3）教学演示

转动车轮，轻轻按压杠杆末端，产生的小力通过杠杆装置第一次被放大，然后作用在小活塞上，经液压传动装置第二次放大，最终作用在转动的车轮上面，迅速实现制动；铝杆在弹簧的弹力作用下，自动恢复原来的位置。

2.3 碎核桃神器

（1）所需材料

1个200 mL的塑料针筒，1个20 mL的塑料针筒，30 cm耐压硅胶软管，1个20 cm×17 cm×3 cm的1号木板、1个20 cm×4 cm×1.5 cm的2号木板、1个20 cm×12 cm×1.5 cm的3号木板，2个35 cm×5 cm×1 cm的4号木板。

（2） 模型制作

①对1号木板进行切割，在顶端中间部位向下打半径为0.25 cm、高度为5 cm的洞。

②在2号木板中间打出半径为2 cm的凹槽。

③将处理过的1号木板、2号木板、3号木板和4号木板装订在一起（如图8），完成碎核桃神器木架的制作。

④利用高强度AB胶水和防水胶带，将200 mL的针筒与硅胶软管的一端连接在一起，插入1号木板；然后将硅胶软管的另一端与小针筒连接在一起，并进行密封处理。

⑤调试整个装置，完成碎核桃神器的制作。

（3）教学演示

将核桃放在凹槽中，迅速地推动小活塞，作用在小活塞上的力经液体的传递在大活塞上得到一个很大的力，最终作用在核桃上，成功碎核桃。

通过教学演示，学生直观地观察到液压传动装置的内部结构和工作过程，体会物理学与技术相结合的神奇魅力。三种自制教具取材容易、制作简单，具有创新性、可行性和实用性。在物理研究性课堂的教学中，教师可组织学生亲身参与液压传动装置的设计和制作，外显学生习得的知识和能力，让学生在“做”中学习物理学的知识，帮助学生加深理解物理学与技术的互动关系，提高学生在设计、制作和创新方面的综合实践能力。

参考文献：

[1]课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书（选修2-2）[M].北京：人民教育出版社，2007：38-41.

[2]付荣兴.人教版普通高中物理课程标准实验教科书选修2系列的编写思想[J].中学物理教学参考，2007，36（11）：2-4.

[3]姚良炬.自制教具在物理教学中的作用[J].物理教学探讨，2017，35（4）：16-18.（栏目编辑 王柏庐）