四兩撥千斤
——揭秘油壓千斤頂

山東省臨邑縣第二中學 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 趙文彬

2017年，在臨邑縣第二中學的校園內，一座新教學樓拔地而起。在熱火朝天的建筑工地上，初三四班物理興趣小組的同學們經過長時間的觀察發現，從打地基開始一個建筑機械便成了主角，它可以伸出長長的金屬臂，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的金屬臂呢？這個問題激發了同學們極大的好奇心。

物理老師引導同學們仔細觀察，發現在金屬臂的下端有一個可以伸縮的金屬棒支撐著金屬臂，而與它相連的是一個比它還要細的金屬管。老師提示同學們，機械通過細金屬管向金屬棒里打油，進而在金屬棒上端就能得到比較大的力支持住金屬臂，然后他要求同學們自己進行研究。針對老師的提示，全組同學開始發揮聰明才智，動手開展科學探究。

實驗一

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。

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

進行實驗：（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，并分別在兩個玻璃管中的水面處作標記。

（2）在細玻璃管中的橡膠塞上輕輕地放上一個木塊，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，水面恢復到標記處為止。

實驗分析：如圖2所示，加在細管橡膠塞上的壓力F1等于一個木塊的重力，由此可在粗管橡膠塞上得到等于4個木塊重力的舉力F2。

圖1

圖2

圖3

（1）S2=4S1，F2≠F1，故猜想一是錯誤的；（2），故猜想二是正確的。

實驗次數小活塞直徑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 結論1 2 3

實驗結論：加在密閉液體上的壓強能被液體大小不變地向各個方向傳遞。

同學們將上述探究過程向物理老師做了匯報，但始終有一個疑問困擾著他們，那就是不能改變橡膠塞的面積多做幾次實驗，從而使得實驗結果可能具有偶然性。為此，老師又給同學們提供了一個實驗。

實驗二

實驗器材：針管分別為30 mL和5 mL的注射器2個（注射器的活塞截面積之比基本符合1︰4），短橡皮管（內徑約5 mm），木架或其他支架，拉壓測力計（刻度以0為中心上下各標10 N，在掛鉤上方有一個拉壓小板），重物（質量分別為400 g、600 g、800 g），水，刻度尺，潤滑油。

實驗方法：（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，再分別計算出小、大活塞的截面積S1、S2。

（2）分別在兩個注射器的活塞上涂一層薄質潤滑油，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，抽動活塞，在兩個針管中分別吸入一半刻度的水。

（3）如圖3所示，把兩個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系。

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

（6）將重物依次換成600 g、800 g，觀察各次測力計上的示數。

實驗記錄：（見下表）

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

（2）也可以手持兩個拉壓測力計，將兩個拉壓小板分別按在大、小活塞上，壓小活塞時同時觀察兩個測力計的示數。

（3）由于活塞與針管壁之間有摩擦力，在分析實驗數據時，只能定性或近似地得出結論。

最后，老師肯定了同學們的科學探究精神，告訴他們這兩個實驗的結論就是帕斯卡定律（不可壓縮靜止流體中任一點受外力產生壓力增值后，此壓力增值瞬時間傳至靜止流體各點），在生活、生產中有著廣泛的應用，如水壓機、油壓千斤頂等。聽完老師的介紹之后，同學們又興高采烈地踏上了“從生活走向物理，從物理走向社會”的科學探究之路。

立式液壓千斤頂

水壓機

臥式液壓千斤頂