Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Mở đầu trang 73
Đề bài: Đặt viên bi sắt, ốc vít kim loại, nắp chai nhựa vào một cốc thuỷ tinh. Vì sao khi đổ nước vào cốc, có vật nổi lên, có vật lại không nổi lên?
Lời giải:
- Nắp chai nhựa nổi lên vì trọng lượng riêng của nắp chai nhựa nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước → lực đẩy của nước lớn hơn trọng lượng của nắp chai.
- Viên bi sắt, ốc vít kim loại chìm xuống vì trọng lượng riêng của chúng lớn hơn trọng lượng riêng của nước → lực đẩy của nước nhỏ hơn trọng lượng của vật.
I. Lực đẩy tác dụng lên vật đặt trong chất lỏng
Câu hỏi trang 73 mục I
Đề bài:
- Hãy biểu diễn các lực tác dụng vào viên bi, ốc vít kim loại, miếng xốp khi chúng ở vị trí như trong Hình 17.2.
- Hãy rút ra điều kiện để một vật chìm xuống hoặc nổi lên khi đặt trong chất lỏng.
- Mô tả sự thay đổi lực đẩy của nước lên quả bóng trong Hình 17.1 từ khi bắt đầu nhấn quả bóng vào nước, đến khi quả bóng chìm hoàn toàn trong nước.
Lời giải:
1. Biểu diễn các lực tác dụng:
Trên mỗi vật có hai lực: trọng lực $P$ (hướng thẳng xuống) và lực đẩy Archimedes $F_A$ (hướng thẳng lên).
| Vật | Trọng lực $P$ | Lực đẩy $F_A$ | So sánh |
|---|---|---|---|
| Viên bi (1) – chìm | Hướng xuống | Hướng lên | $P > F_A$ (mũi tên P dài hơn) |
| Ốc vít kim loại (2) – chìm | Hướng xuống | Hướng lên | $P > F_A$ (mũi tên P dài hơn) |
| Miếng xốp (3) – nổi | Hướng xuống | Hướng lên | $F_A > P$ (mũi tên $F_A$ dài hơn) |
2. Điều kiện để vật chìm xuống hoặc nổi lên:
- Vật chìm xuống khi: $P > F_A$ (trọng lực lớn hơn lực đẩy Archimedes).
- Vật nổi lên khi: $P < F_A$ (trọng lực nhỏ hơn lực đẩy Archimedes).
- Vật lơ lửng trong chất lỏng khi: $P = F_A$.
3. Sự thay đổi lực đẩy của nước lên quả bóng (Hình 17.1):
- Khi bắt đầu nhấn quả bóng vào nước, phần thể tích quả bóng chìm trong nước tăng dần → lực đẩy Archimedes tăng dần.
- Khi quả bóng đã chìm hoàn toàn trong nước, thể tích quả bóng bị chiếm chỗ trong nước đạt giá trị lớn nhất → lực đẩy Archimedes đạt giá trị lớn nhất và không thay đổi dù có nhấn sâu hơn (vì phần thể tích chiếm chỗ vẫn bằng thể tích quả bóng).
II. Độ lớn của lực đẩy Archimedes
1. Thí nghiệm
Hoạt động trang 74 mục II.1
Đề bài:
Dụng cụ: Một lực kế có giới hạn đo 2 N; cân điện tử; quả nặng bằng nhựa 130 g; bình tràn; ống đong; giá thí nghiệm.
Tiến hành: Treo quả nặng vào lực kế, ghi số chỉ P. Nhúng quả nặng vào bình tràn đựng đầy nước, hứng nước tràn ra ống đong. Khi nước tràn ra đạt 20 cm³, đọc giá trị $F_1$ trên lực kế. Lực đẩy Archimedes có độ lớn $P – F_1$. Đồng thời cân khối lượng nước tràn ra và tính trọng lượng của lượng nước đó. Lặp lại với thể tích 40 cm³, 60 cm³, 80 cm³. Thay nước bằng nước muối đặc và lặp lại thí nghiệm.
So sánh trọng lượng của lượng chất lỏng tràn ra với lực đẩy Archimedes tương ứng. Từ bảng số liệu, hãy rút ra kết luận về độ lớn lực đẩy Archimedes.
Lời giải:
Bảng 17.1. Kết quả thí nghiệm tham khảo
| Thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ | Lực đẩy Archimedes của nước | Trọng lượng nước bị vật chiếm chỗ | Lực đẩy Archimedes của nước muối | Trọng lượng nước muối bị vật chiếm chỗ |
|---|---|---|---|---|
| $20 \text{ cm}^3$ | $0,2$ N | $0,2$ N | $0,22$ N | $0,22$ N |
| $40 \text{ cm}^3$ | $0,4$ N | $0,4$ N | $0,44$ N | $0,44$ N |
| $60 \text{ cm}^3$ | $0,6$ N | $0,6$ N | $0,66$ N | $0,66$ N |
| $80 \text{ cm}^3$ | $0,8$ N | $0,8$ N | $0,88$ N | $0,88$ N |
Nhận xét: Trong cả nước và nước muối, ở mọi thể tích, lực đẩy Archimedes luôn bằng trọng lượng của lượng chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
Kết luận: Độ lớn của lực đẩy Archimedes bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
(Lưu ý: số liệu trên là tham khảo. Khi tự làm thí nghiệm, học sinh ghi số đo thực tế của nhóm mình.)
2. Định luật Archimedes
Hoạt động trang 75 mục II.2
Đề bài: Thả một viên đất nặn hình tròn nặng khoảng 100 g vào cốc nước, viên đất nặn sẽ chìm xuống đáy. Hãy tạo hình viên đất nặn này thành một vật có thể nổi được trên mặt nước. Vận dụng công thức định luật Archimedes, hãy giải thích vì sao cùng một viên đất nặn với hình dạng khác nhau lại có thể lúc thì chìm, lúc thì nổi.
Lời giải:
Cách làm: Nặn viên đất thành hình chiếc thuyền (hoặc cái chén) rỗng ruột → thả vào nước, vật sẽ nổi.
Giải thích: Áp dụng công thức $F_A = d \cdot V$, với $d$ là trọng lượng riêng của nước (không đổi), $V$ là thể tích phần nước bị vật chiếm chỗ.
- Khi viên đất nặn hình tròn: thể tích chiếm chỗ $V$ chỉ bằng đúng thể tích đất nặn → $V$ nhỏ → $F_A$ nhỏ → $F_A < P$ → chìm.
- Khi nặn thành hình chén/thuyền: phần lõm rỗng chứa không khí, làm cho thể tích phần chìm trong nước lớn hơn rất nhiều → $V$ lớn → $F_A = d \cdot V$ lớn → $F_A > P$ → nổi.
→ Cùng một viên đất nặn (P không đổi) nhưng thay đổi hình dạng làm thay đổi thể tích phần chiếm chỗ trong nước → thay đổi $F_A$ → có lúc chìm, có lúc nổi.
Câu hỏi trang 75 mục II.2
Đề bài:
- Giải thích vì sao trong thí nghiệm mở đầu, nắp chai nhựa lại nổi lên còn viên bi, ốc vít kim loại vẫn nằm ở đáy cốc.
- Hãy so sánh trọng lượng riêng của vật và trọng lượng riêng của nước khi vật chìm, vật nổi.
Lời giải:
1. Giải thích:
- Nắp chai nhựa nổi: nắp chai có hình dáng giống chiếc đĩa, khi đặt lên mặt nước, phần thể tích nước bị chiếm chỗ lớn (gồm cả khoang lõm chứa không khí) → lực đẩy Archimedes $F_A$ lớn hơn trọng lượng $P$ của nắp chai → nổi.
- Viên bi, ốc vít kim loại chìm: được làm bằng kim loại đặc, trọng lượng riêng lớn hơn nước rất nhiều → trọng lượng $P$ lớn hơn lực đẩy Archimedes $F_A$ → chìm.
2. So sánh trọng lượng riêng:
| Trạng thái | So sánh |
|---|---|
| Vật chìm trong nước | Trọng lượng riêng của vật lớn hơn trọng lượng riêng của nước |
| Vật nổi trên nước | Trọng lượng riêng của vật nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước |
| Vật lơ lửng trong nước | Trọng lượng riêng của vật bằng trọng lượng riêng của nước |
Em có thể
Ước tính thể tích phần nước biển bị tàu chiếm chỗ
Lời giải:
Khi tàu nổi cân bằng trên mặt nước, lực đẩy Archimedes cân bằng với trọng lượng của tàu:
$$F_A = P \quad \Rightarrow \quad d \cdot V = P$$
Suy ra thể tích phần nước biển bị tàu chiếm chỗ:
$$V = \dfrac{P}{d}$$
Trong đó:
- $P$ là trọng lượng của tàu (N), tính theo $P = 10 \cdot m$ (m là khối lượng tàu tính theo kg).
- $d$ là trọng lượng riêng của nước biển (khoảng $10\,300 \text{ N/m}^3$).
Ví dụ: Một con tàu có khối lượng $m = 1\,000$ tấn $= 10^6$ kg, nổi trên biển.
- Trọng lượng tàu: $P = 10 \cdot 10^6 = 10^7 \text{ N}$.
- Thể tích nước biển bị tàu chiếm chỗ: $V = \dfrac{10^7}{10\,300} \approx 971 \text{ m}^3$.
Vì sao con tàu rất nặng mà vẫn nổi được trên mặt nước
Lời giải:
Mặc dù tàu được làm bằng thép (có trọng lượng riêng lớn hơn nước rất nhiều), nhưng tàu vẫn nổi được vì:
- Thân tàu được thiết kế rỗng và lớn, bên trong chứa nhiều không khí.
- Khi đặt trên mặt nước, phần thể tích $V$ nước biển bị tàu chiếm chỗ rất lớn → lực đẩy Archimedes $F_A = d \cdot V$ rất lớn.
- Lực đẩy này đủ cân bằng với trọng lượng của tàu → tàu nổi.
→ Nói cách khác, do hình dáng rỗng, trọng lượng riêng trung bình của tàu (tính cả khoang không khí bên trong) nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước biển → tàu nổi.
Cô Trần Thị Thanh Thảo
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS
Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu