液壓傳動課程中提升學(xué)生“壓力能”理解的教學(xué)設(shè)計(jì)

唐珊珊 韋朝坤 張小雪

摘要：液壓傳動利用液體壓力能傳遞能量，有關(guān)壓力能的理解，是授課的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，為了讓學(xué)生更好的理解壓力能，本文設(shè)計(jì)一套有效的教學(xué)環(huán)節(jié)，使用動畫導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣;結(jié)合實(shí)例推導(dǎo)結(jié)論，學(xué)生在例題中理解結(jié)論的由來;合理布置練習(xí)和思考題，給學(xué)生思考的空間，幫助學(xué)生全面深入理解液壓系統(tǒng)中壓力的傳遞。

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.

關(guān)鍵詞：液壓傳動;傳遞;壓力能

Key words： hydraulic transmission;transmission;pressure energy

中圖分類號：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0256-02

0? 引言

液壓傳動是目前應(yīng)用廣泛的傳動方式之一，它以液體為工作介質(zhì)，利用液體壓力能傳遞動力和進(jìn)行控制。液壓傳動課程的理論性較強(qiáng)，如何讓學(xué)生理解這里的壓力能，是授課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)[1-3]。為了更好的達(dá)到教學(xué)目的，本文設(shè)計(jì)的教學(xué)過程分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。首先，播放千斤頂?shù)膭赢?，讓學(xué)生思考重物是如何被抬起的，對液壓傳動有感性認(rèn)識。其次，解釋千斤頂?shù)脑硎抢门了箍ǘ?，由感性認(rèn)識轉(zhuǎn)為理論認(rèn)知。這里學(xué)生可能會出現(xiàn)兩個(gè)疑惑，一、壓力為什么能夠傳遞;二、帕斯卡定律中的液體是靜止的，而液壓傳動系統(tǒng)中油液是流動的，定律適不適用。最后借助液體靜壓力基本方程和伯努利方程消除學(xué)生的疑惑。

1? 千斤頂動畫導(dǎo)入新課

液壓傳動有功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。首先播放液壓傳動實(shí)例圖片和千斤頂?shù)囊曨l導(dǎo)入新課，激發(fā)學(xué)生興趣。圖1為礦井下使用的液壓支架。

播放圖2千斤頂工作原理動畫前讓學(xué)生思考兩個(gè)問題。①在小液壓缸上施加力為什么可以把大缸上的汽車抬起？②一個(gè)不大的力為什么可以抬起很重的汽車？

2? 帕斯卡定律與壓力傳遞

先播放圖3帕斯卡定律實(shí)驗(yàn)視頻，然后帶學(xué)生回憶中學(xué)時(shí)期學(xué)習(xí)過的帕斯卡定律，“不可壓縮靜止流體中任一點(diǎn)受外力產(chǎn)生壓強(qiáng)增值后，此壓強(qiáng)增值瞬時(shí)傳至靜止流體各點(diǎn)”。讓學(xué)生對抬起汽車的認(rèn)識，由感性轉(zhuǎn)到理論。壓力可以傳遞，由于小缸和大缸是相通的，在小缸上施加力，壓力會傳到大缸里，在大缸產(chǎn)生相同的壓強(qiáng)，P1=P2，大缸的有效面積大，是小缸的十幾倍，甚至幾十倍，因此相同的壓強(qiáng)，大缸可以承受更大的力。解釋學(xué)生的第一個(gè)疑惑，液壓傳動的基本原理為帕斯卡定律，在密閉的容器內(nèi)，施加于靜止液體上的壓力將以等值同時(shí)傳到液體各點(diǎn)。

3? 利用液體靜壓力基本方程解釋帕斯卡定律

3.1 液體靜壓力基本方程

“靜止液體在單位面積上所受的法向作用力稱為靜壓力，在液壓傳動中簡稱壓力，在物理學(xué)中則稱為壓強(qiáng)”。通過圖4分析推導(dǎo)可得液體靜壓力基本方程如式（1）所示。

P=P0+ρgh（1）

由公式可知液體內(nèi)部某點(diǎn)壓力包括表壓力和該點(diǎn)以上液面自重所形成的壓力。由于內(nèi)部的壓力包括表面壓力，表面壓力越大，內(nèi)部壓力越大，可以看作表面壓力可以傳到液體內(nèi)部。所施加在液體表面的力可以傳到液體內(nèi)部，壓力能夠傳遞。液體靜壓力基本方程是帕斯卡定律的公式驗(yàn)證，讓學(xué)生從公式層面理解壓力的傳遞。

3.2 自重所形成的壓力

通過圖5例題講解，得出ρgh相對于P0很小，即自重所形成的壓力相對于表壓力很小，可以忽略自重所形成的壓力。那么液體內(nèi)處處壓力相等，等于表壓力。

4? 伯努利方程

靜壓力基本方程中液體是靜止的，液壓傳動中，液體是流動的，對于流動液體，還是利用壓力能傳遞動力嗎？假想的沒有粘性、不可壓縮的液體成為理想液體。伯努利通過實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)得出理想液體作恒定流動時(shí)，具有壓力能、動能和勢能三種形式的能量，在任一截面上這三種能量可以相互轉(zhuǎn)換，且其總和是常數(shù)，如式（2）所示。

■+h1+■=■+h2+■（2）

實(shí)際流體存在粘性，流動時(shí)存在能量損失hw，且考慮到截面的速度不均勻性，理想液體的伯努利方程修正為式（3）。

■+h1+■=■+h2+■+hw（3）

通過下面例題（圖6）求解，得出伯努利方程中位置和速度引起的能量變化很小，可以忽略不計(jì)，如圖7所示。經(jīng)常把伯努利方程簡化為式（4）。所以，液壓傳動中的能量損失主要為壓力損失，液壓傳動是靠壓力能傳遞動力的，液壓傳動又稱靜壓傳動。

P1=P2+？駐P? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

5? 思政教育

課程中貫穿思政教育，習(xí)近平總書記說過：“青年一代有理想，有本領(lǐng)，有擔(dān)當(dāng)，國家就有前途，民族就有希望”。通過舉例子、學(xué)文件，熏陶學(xué)生，教育學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中一步一個(gè)腳印，發(fā)揚(yáng)拼搏奮斗精神。

6? 課后思考

布置課后思考題，“我們知道系統(tǒng)中壓力取決于負(fù)載，沒有負(fù)載沒有壓力，有負(fù)載才有壓力。我們也說過溢流閥可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，那么系統(tǒng)中的壓力是取決于負(fù)載還是溢流閥呢？”要求學(xué)生查找資料，在學(xué)習(xí)通APP上提交答案。

7? 結(jié)語

本文通過“一定理兩方程”的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生更全面理解壓力的傳遞。帕斯卡定理在理論上理解壓力的傳遞;液體靜壓力基本方程得出壓力傳遞的由來;伯努利方程解釋了液壓傳動也是靜壓傳動。通過壓力能的學(xué)習(xí)，掌握液壓傳動基本原理，為后續(xù)液壓系統(tǒng)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]魯哲新.從結(jié)構(gòu)分析液壓系統(tǒng)泄漏問題[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2016，37（16）：190-191.

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