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基于液压传动的原理自制三种创新教具

2018-01-15刘晓利张军朋

物理教学探讨 2018年11期
关键词:液压传动高中物理

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)

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