液压传动课程中提升学生“压力能”理解的教学设计

唐珊珊 韦朝坤 张小雪

摘要：液压传动利用液体压力能传递能量，有关压力能的理解，是授课的重点也是难点，为了让学生更好的理解压力能，本文设计一套有效的教学环节，使用动画导入，激发学生学习兴趣;结合实例推导结论，学生在例题中理解结论的由来;合理布置练习和思考题，给学生思考的空间，帮助学生全面深入理解液压系统中压力的传递。

Abstract： Hydraulic transmission uses liquid pressure to transfer energy. The understanding of pressure energy is the focus and difficulty of teaching. In order to let students better understand pressure energy， this article designs a set of effective teaching links. First， use animation import to stimulate students' interest in learning. Second， combine examples to derive conclusions. Students understand the origin of the conclusions in the examples. Third， arrange exercises and thinking questions reasonably to give students room for thinking. This can help students fully understand the pressure transmission in the hydraulic system.

关键词：液压传动;传递;压力能

Key words： hydraulic transmission;transmission;pressure energy

中图分类号：G64                                   文献标识码：A                                  文章編号：1674-957X（2021）23-0256-02

0  引言

液压传动是目前应用广泛的传动方式之一，它以液体为工作介质，利用液体压力能传递动力和进行控制。液压传动课程的理论性较强，如何让学生理解这里的压力能，是授课的重点，也是难点[1-3]。为了更好的达到教学目的，本文设计的教学过程分为以下几个环节。首先，播放千斤顶的动画，让学生思考重物是如何被抬起的，对液压传动有感性认识。其次，解释千斤顶的原理是利用帕斯卡定律，由感性认识转为理论认知。这里学生可能会出现两个疑惑，一、压力为什么能够传递;二、帕斯卡定律中的液体是静止的，而液压传动系统中油液是流动的，定律适不适用。最后借助液体静压力基本方程和伯努利方程消除学生的疑惑。

1  千斤顶动画导入新课

液压传动有功率密度大，结构紧凑，传动平稳等优点，应用广泛。首先播放液压传动实例图片和千斤顶的视频导入新课，激发学生兴趣。图1为矿井下使用的液压支架。

播放图2千斤顶工作原理动画前让学生思考两个问题。①在小液压缸上施加力为什么可以把大缸上的汽车抬起？②一个不大的力为什么可以抬起很重的汽车？

2  帕斯卡定律与压力传递

先播放图3帕斯卡定律实验视频，然后带学生回忆中学时期学习过的帕斯卡定律，“不可压缩静止流体中任一点受外力产生压强增值后，此压强增值瞬时传至静止流体各点”。让学生对抬起汽车的认识，由感性转到理论。压力可以传递，由于小缸和大缸是相通的，在小缸上施加力，压力会传到大缸里，在大缸产生相同的压强，P1=P2，大缸的有效面积大，是小缸的十几倍，甚至几十倍，因此相同的压强，大缸可以承受更大的力。解释学生的第一个疑惑，液压传动的基本原理为帕斯卡定律，在密闭的容器内，施加于静止液体上的压力将以等值同时传到液体各点。

3  利用液体静压力基本方程解释帕斯卡定律

3.1 液体静压力基本方程

“静止液体在单位面积上所受的法向作用力称为静压力，在液压传动中简称压力，在物理学中则称为压强”。通过图4分析推导可得液体静压力基本方程如式（1）所示。

P=P0+ρgh（1）

由公式可知液体内部某点压力包括表压力和该点以上液面自重所形成的压力。由于内部的压力包括表面压力，表面压力越大，内部压力越大，可以看作表面压力可以传到液体内部。所施加在液体表面的力可以传到液体内部，压力能够传递。液体静压力基本方程是帕斯卡定律的公式验证，让学生从公式层面理解压力的传递。

3.2 自重所形成的压力

通过图5例题讲解，得出ρgh相对于P0很小，即自重所形成的压力相对于表压力很小，可以忽略自重所形成的压力。那么液体内处处压力相等，等于表压力。

4  伯努利方程

静压力基本方程中液体是静止的，液压传动中，液体是流动的，对于流动液体，还是利用压力能传递动力吗？假想的没有粘性、不可压缩的液体成为理想液体。伯努利通过实验和理论推导得出理想液体作恒定流动时，具有压力能、动能和势能三种形式的能量，在任一截面上这三种能量可以相互转换，且其总和是常数，如式（2）所示。

■+h1+■=■+h2+■（2）

实际流体存在粘性，流动时存在能量损失hw，且考虑到截面的速度不均匀性，理想液体的伯努利方程修正为式（3）。

■+h1+■=■+h2+■+hw（3）

通过下面例题（图6）求解，得出伯努利方程中位置和速度引起的能量变化很小，可以忽略不计，如图7所示。经常把伯努利方程简化为式（4）。所以，液压传动中的能量损失主要为压力损失，液压传动是靠压力能传递动力的，液压传动又称静压传动。

P1=P2+？驻P                 （4）

5  思政教育

课程中贯穿思政教育，习近平总书记说过：“青年一代有理想，有本领，有担当，国家就有前途，民族就有希望”。通过举例子、学文件，熏陶学生，教育学生在学习过程中一步一个脚印，发扬拼搏奋斗精神。

6  课后思考

布置课后思考题，“我们知道系统中压力取决于负载，没有负载没有压力，有负载才有压力。我们也说过溢流阀可以调节系统压力，那么系统中的压力是取决于负载还是溢流阀呢？”要求学生查找资料，在学习通APP上提交答案。

7  结语

本文通过“一定理两方程”的学习，让学生更全面理解压力的传递。帕斯卡定理在理论上理解压力的传递;液体静压力基本方程得出压力传递的由来;伯努利方程解释了液压传动也是静压传动。通过压力能的学习，掌握液压传动基本原理，为后续液压系统的学习奠定基础。

参考文献：

[1]吴鸿雁，马前帅.“液压传动”实训教学改革与应用[J].职业技术，2021，20（09）：82-87.

[2]鲁哲新.从结构分析液压系统泄漏问题[J].现代商贸工业，2016，37（16）：190-191.

[3]徐培.课程线上虚拟仿真实验教学改革研究与实践——基于“FluidSIM+云课堂”的《液压与气动技术》[J].内燃机与配件，2020（16）：233-234.