四兩撥千斤
——揭秘油壓千斤頂

山東省臨邑縣第二中學(xué) 趙文彬

四兩撥千斤
——揭秘油壓千斤頂

山東省臨邑縣第二中學(xué) 趙文彬

2017年，在臨邑縣第二中學(xué)的校園內(nèi)，一座新教學(xué)樓拔地而起。在熱火朝天的建筑工地上，初三四班物理興趣小組的同學(xué)們經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的觀察發(fā)現(xiàn)，從打地基開始一個(gè)建筑機(jī)械便成了主角，它可以伸出長(zhǎng)長(zhǎng)的金屬臂，將水泥源源不斷地送出。究竟是什么力量這么神奇，竟能支撐起幾十米甚至上百米長(zhǎng)的金屬臂呢？這個(gè)問題激發(fā)了同學(xué)們極大的好奇心。

物理老師引導(dǎo)同學(xué)們仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)在金屬臂的下端有一個(gè)可以伸縮的金屬棒支撐著金屬臂，而與它相連的是一個(gè)比它還要細(xì)的金屬管。老師提示同學(xué)們，機(jī)械通過細(xì)金屬管向金屬棒里打油，進(jìn)而在金屬棒上端就能得到比較大的力支持住金屬臂，然后他要求同學(xué)們自己進(jìn)行研究。針對(duì)老師的提示，全組同學(xué)開始發(fā)揮聰明才智，動(dòng)手開展科學(xué)探究。

實(shí)驗(yàn)一

提出問題：為什么在橫截面積較小的液體上施加比較小的力就能在橫截面積較大的液體上得到比較大的力呢？

做出猜想：猜想一：加在密閉液體上的壓力能夠大小不變地向前傳遞，因此能在橫截面積較大的液體上得到比較大的力；

猜想二：加在密閉液體上的壓強(qiáng)能夠大小不變地向前傳遞，因此能在橫截面積較大的液體上得到比較大的力。

實(shí)驗(yàn)器材：U形柱狀連通器（粗管橫截面積為S2、細(xì)管橫截面積為S1，S2=4S1），橫截面積稍小于S2、S1的橡膠塞各1個(gè)，完全相同的正方體木塊若干個(gè)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：（1）如圖1所示，把連通器放在水平桌面上，然后向連通器中倒入適量的水，并分別在兩個(gè)玻璃管中的水面處作標(biāo)記。

（2）在細(xì)玻璃管中的橡膠塞上輕輕地放上一個(gè)木塊，水面下降。

（3）在粗玻璃管中的橡膠塞上依次放上木塊，直到放了四個(gè)，水面恢復(fù)到標(biāo)記處為止。

實(shí)驗(yàn)分析：如圖2所示，加在細(xì)管橡膠塞上的壓力F1等于一個(gè)木塊的重力，由此可在粗管橡膠塞上得到等于4個(gè)木塊重力的舉力F2。

圖1

圖2

圖3

（1）S2=4S1，F(xiàn)2≠F1，故猜想一是錯(cuò)誤的；（2），故猜想二是正確的。

實(shí)驗(yàn)次數(shù)小活塞直徑d1/m大活塞直徑d2/m小活塞面積S1/m2大活塞面積S2/m2小活塞壓力F1/N大活塞壓力F2/N P1 P2 結(jié)論1 2 3

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：加在密閉液體上的壓強(qiáng)能被液體大小不變地向各個(gè)方向傳遞。

同學(xué)們將上述探究過程向物理老師做了匯報(bào)，但始終有一個(gè)疑問困擾著他們，那就是不能改變橡膠塞的面積多做幾次實(shí)驗(yàn)，從而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能具有偶然性。為此，老師又給同學(xué)們提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)器材：針管分別為30 mL和5 mL的注射器2個(gè)（注射器的活塞截面積之比基本符合1︰4），短橡皮管（內(nèi)徑約5 mm），木架或其他支架，拉壓測(cè)力計(jì)（刻度以0為中心上下各標(biāo)10 N，在掛鉤上方有一個(gè)拉壓小板），重物（質(zhì)量分別為400 g、600 g、800 g），水，刻度尺，潤(rùn)滑油。

實(shí)驗(yàn)方法：（1）用刻度尺分別量出小注射器、大注射器活塞的截面直徑d1、d2，再分別計(jì)算出小、大活塞的截面積S1、S2。

（2）分別在兩個(gè)注射器的活塞上涂一層薄質(zhì)潤(rùn)滑油，以保證密封和減少阻力。將活塞裝入針管推到底，然后將下端浸入水中，抽動(dòng)活塞，在兩個(gè)針管中分別吸入一半刻度的水。

（3）如圖3所示，把兩個(gè)注射器固定在木架或其他支架上，下端用短橡皮管連接起來。

（4）向下壓小活塞，看大活塞是否上升，用刻度尺量出小活塞下壓的距離與大活塞上升的距離，并分析它們與各自的截面積有什么關(guān)系。

（5）在小活塞上按住拉壓測(cè)力計(jì)的拉壓小板，在大活塞上放穩(wěn)400 g重物，觀察測(cè)力計(jì)上的示數(shù)。

（6）將重物依次換成600 g、800 g，觀察各次測(cè)力計(jì)上的示數(shù)。

實(shí)驗(yàn)記錄：（見下表）

注意事項(xiàng)：（1）兩個(gè)注射器的活塞與針管之間要保持良好的密封，在實(shí)驗(yàn)前反復(fù)推拉幾次活塞看是否靈活，盡量減小摩擦阻力。

（2）也可以手持兩個(gè)拉壓測(cè)力計(jì)，將兩個(gè)拉壓小板分別按在大、小活塞上，壓小活塞時(shí)同時(shí)觀察兩個(gè)測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

（3）由于活塞與針管壁之間有摩擦力，在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，只能定性或近似地得出結(jié)論。

最后，老師肯定了同學(xué)們的科學(xué)探究精神，告訴他們這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論就是帕斯卡定律（不可壓縮靜止流體中任一點(diǎn)受外力產(chǎn)生壓力增值后，此壓力增值瞬時(shí)間傳至靜止流體各點(diǎn)），在生活、生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，如水壓機(jī)、油壓千斤頂?shù)?。聽完老師的介紹之后，同學(xué)們又興高采烈地踏上了“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的科學(xué)探究之路。

立式液壓千斤頂

水壓機(jī)

臥式液壓千斤頂