四两拨千斤——揭秘油压千斤顶

山东省临邑县第二中学 赵文彬

四两拨千斤
——揭秘油压千斤顶

山东省临邑县第二中学 赵文彬

2017年，在临邑县第二中学的校园内，一座新教学楼拔地而起。在热火朝天的建筑工地上，初三四班物理兴趣小组的同学们经过长时间的观察发现，从打地基开始一个建筑机械便成了主角，它可以伸出长长的金属臂，将水泥源源不断地送出。究竟是什么力量这么神奇，竟能支撑起几十米甚至上百米长的金属臂呢？这个问题激发了同学们极大的好奇心。

物理老师引导同学们仔细观察，发现在金属臂的下端有一个可以伸缩的金属棒支撑着金属臂，而与它相连的是一个比它还要细的金属管。老师提示同学们，机械通过细金属管向金属棒里打油，进而在金属棒上端就能得到比较大的力支持住金属臂，然后他要求同学们自己进行研究。针对老师的提示，全组同学开始发挥聪明才智，动手开展科学探究。

实验一

提出问题：为什么在横截面积较小的液体上施加比较小的力就能在横截面积较大的液体上得到比较大的力呢？

做出猜想：猜想一：加在密闭液体上的压力能够大小不变地向前传递，因此能在横截面积较大的液体上得到比较大的力；

猜想二：加在密闭液体上的压强能够大小不变地向前传递，因此能在横截面积较大的液体上得到比较大的力。

实验器材：U形柱状连通器（粗管横截面积为S2、细管横截面积为S1，S2=4S1），横截面积稍小于S2、S1的橡胶塞各1个，完全相同的正方体木块若干个。

进行实验：（1）如图1所示，把连通器放在水平桌面上，然后向连通器中倒入适量的水，并分别在两个玻璃管中的水面处作标记。

（2）在细玻璃管中的橡胶塞上轻轻地放上一个木块，水面下降。

（3）在粗玻璃管中的橡胶塞上依次放上木块，直到放了四个，水面恢复到标记处为止。

实验分析：如图2所示，加在细管橡胶塞上的压力F1等于一个木块的重力，由此可在粗管橡胶塞上得到等于4个木块重力的举力F2。

图1

图2

图3

（1）S2=4S1，F2≠F1，故猜想一是错误的；（2），故猜想二是正确的。

实验次数小活塞直径d1/m大活塞直径d2/m小活塞面积S1/m2大活塞面积S2/m2小活塞压力F1/N大活塞压力F2/N P1 P2 结论1 2 3

实验结论：加在密闭液体上的压强能被液体大小不变地向各个方向传递。

同学们将上述探究过程向物理老师做了汇报，但始终有一个疑问困扰着他们，那就是不能改变橡胶塞的面积多做几次实验，从而使得实验结果可能具有偶然性。为此，老师又给同学们提供了一个实验。

实验二

实验器材：针管分别为30 mL和5 mL的注射器2个（注射器的活塞截面积之比基本符合1︰4），短橡皮管（内径约5 mm），木架或其他支架，拉压测力计（刻度以0为中心上下各标10 N，在挂钩上方有一个拉压小板），重物（质量分别为400 g、600 g、800 g），水，刻度尺，润滑油。

实验方法：（1）用刻度尺分别量出小注射器、大注射器活塞的截面直径d1、d2，再分别计算出小、大活塞的截面积S1、S2。

（2）分别在两个注射器的活塞上涂一层薄质润滑油，以保证密封和减少阻力。将活塞装入针管推到底，然后将下端浸入水中，抽动活塞，在两个针管中分别吸入一半刻度的水。

（3）如图3所示，把两个注射器固定在木架或其他支架上，下端用短橡皮管连接起来。

（4）向下压小活塞，看大活塞是否上升，用刻度尺量出小活塞下压的距离与大活塞上升的距离，并分析它们与各自的截面积有什么关系。

（5）在小活塞上按住拉压测力计的拉压小板，在大活塞上放稳400 g重物，观察测力计上的示数。

（6）将重物依次换成600 g、800 g，观察各次测力计上的示数。

实验记录：（见下表）

注意事项：（1）两个注射器的活塞与针管之间要保持良好的密封，在实验前反复推拉几次活塞看是否灵活，尽量减小摩擦阻力。

（2）也可以手持两个拉压测力计，将两个拉压小板分别按在大、小活塞上，压小活塞时同时观察两个测力计的示数。

（3）由于活塞与针管壁之间有摩擦力，在分析实验数据时，只能定性或近似地得出结论。

最后，老师肯定了同学们的科学探究精神，告诉他们这两个实验的结论就是帕斯卡定律（不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点），在生活、生产中有着广泛的应用，如水压机、油压千斤顶等。听完老师的介绍之后，同学们又兴高采烈地踏上了“从生活走向物理，从物理走向社会”的科学探究之路。

立式液压千斤顶

水压机

卧式液压千斤顶