Tài liệu giảng dạy Định luật Archimedes bao gồm các Năng lực cơ bản và Chỉ số đánh giá năng lực, Tài liệu học tập, Câu hỏi mẫu, Câu hỏi luyện tập và Bài kiểm tra đánh giá quá trình học tập.
A. Các năng lực cơ bản
3.1 Áp dụng các định luật về chất lỏng tĩnh trong cuộc sống thường nhật
4.1 Thiết kế và tiến hành các thí nghiệm sử dụng các đặc tính của chất lỏng tĩnh, bao gồm trình bày kết quả thí nghiệm và ứng dụng của chúng.
B. Các chỉ số đánh giá năng lực
1. Ghi nhớ (C1), hiểu (C2), áp dụng (C3), phân tích (C4) và kết luận (C5) khái niệm về lực nổi, định luật Archimedes và khái niệm về sự nổi, lơ lửng và chìm.
2. Giải (C4) và sửa (C6) các câu hỏi về lực đẩy và định luật Archimedes.
3. Tiến hành (P2) thí nghiệm về định luật Archimedes
4. Trình bày (P3) và xác định (P5) lực đẩy nổi và định luật Archimedes.
ĐỊNH LUẬT ARCHIMEDES
I. GIỚI THIỆU
Bạn đã bao giờ đi tàu chưa? Một con tàu có khối lượng rất lớn sẽ không chìm, trong khi một hòn đá nhỏ, nhẹ lại có thể. Tại sao lại như vậy?
Bạn có biết bức tranh bên trái là gì không? Tàu ngầm là loại tàu có thể nổi trên mặt biển và cũng có thể lặn xuống dưới nước. Tàu ngầm nổi và lặn như thế nào?
Bạn thấy gì trong hình bên phải? Khinh khí cầu có thể bay ở độ cao lớn. Tại sao khinh khí cầu lại bay được, và làm thế nào để điều khiển một khinh khí cầu?
Tàu thuyền có thể nổi trên mặt biển và lặn xuống nước, cũng giống như khinh khí cầu có thể nổi trong khí quyển, tức là không khí. Để hiểu điều này, trước tiên bạn phải hiểu Định luật Archimedes . Để hiểu Định luật Archimedes, trước tiên bạn phải hiểu khái niệm về lực nổi.
Nguồn ảnh: Google.com
II. LỰC NỔI
Cảm giác khi nhấc một hòn đá trên cạn hay khi nhấc cùng hòn đá đó trong nước là nhẹ hơn? Nếu bạn chưa từng trải nghiệm điều này, hãy thử để trả lời câu hỏi này. Nhấc một hòn đá trên cạn sẽ nặng hơn, nhưng nhấc cùng hòn đá đó trong nước lại nhẹ hơn. Điều này là do lực nổi.
Khi một vật thể được nhúng vào chất lỏng, sẽ có sự chênh lệch áp suất giữa chất lỏng phía trên vật thể và chất lỏng phía dưới vật thể. Chất lỏng phía dưới vật thể có áp suất cao hơn chất lỏng phía trên vật thể. Lực nổi xuất hiện do sự chênh lệch áp suất chất lỏng ở các độ sâu khác nhau.
Trong hình, một vật thể được nhìn thấy đang nổi trong chất lỏng. Chất lỏng bên dưới vật thể có áp suất lớn hơn chất lỏng bên trên vật thể, bởi vì chất lỏng bên dưới vật thể có độ sâu lớn hơn chất lỏng bên trên vật thể (h).2 > h1).
Mô tả: FA = lực đẩy nổi, ρ = mật độ chất lỏng, g = gia tốc trọng trường , V = thể tích vật thể ngâm trong chất lỏng
Thay thế ρV trong công thức Lực đẩy nổi bằng m trong công thức mật độ:
Mô tả: m = khối lượng, g = gia tốc trọng trường, w = gia tốc trọng trường.
Dựa trên phương trình 2, lực đẩy nổi (FA ) bằng trọng lượng (w) của chất lỏng bị chiếm chỗ. Thể tích của chất lỏng bị chiếm chỗ bằng thể tích của vật thể trong chất lỏng.
III. ĐỊNH LUẬT ARCHIMEDES
Khi một vật thể được nhúng hoàn toàn hoặc một phần vào chất lỏng, chất lỏng sẽ tác dụng một lực hướng lên (lực đẩy) lên vật thể, trong đó độ lớn của lực đẩy bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị chiếm chỗ. Thể tích của phần chất lỏng bị chiếm chỗ bằng thể tích của vật thể được nhúng trong chất lỏng.
IV. NỔI, CHÌM
4.1 NỔI
Một vật thể nổi trên mặt chất lỏng nếu:
1. Lực hấp dẫn của vật nhỏ hơn lực đẩy nổi (w < F A ), hay
2. Khối lượng riêng của vật thể nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng ( )
Nếu lực đẩy nổi lớn hơn lực hấp dẫn thì lực tổng hợp không bằng không, theo định luật chuyển động của Newton, vật sẽ chuyển động lên trên. Nhưng trên thực tế, vật đang đứng yên trên bề mặt chất lỏng. Theo định luật thứ nhất của Newton, nếu một vật đang đứng yên thì
ΣFy = 0
F A – w – F a = 0
F A = w + F a
F A = lực đẩy nổi do chất lỏng tác dụng lên vật thể, Fa = lực đẩy khí quyển , w = trọng lượng của vật thể.
4.2 NỔI
Một vật thể nổi trên mặt chất lỏng nếu:
1. Trọng lượng của vật bằng với lực đẩy nổi (w = F A ), hay
2. Khối lượng riêng của vật thể bằng khối lượng riêng của chất lỏng ( )
Theo định luật thứ nhất của Newton, nếu một vật đang ở trạng thái nghỉ thì
Σ F y = 0
F A – w = 0
F A = w
4.3 CHÌM
1. Lực hấp dẫn của vật lớn hơn lực đẩy nổi (w > F A ), hay
2. Khối lượng riêng của vật lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng ( )
Theo định luật thứ nhất của Newton, nếu một vật đang ở trạng thái nghỉ thì
Σ F y = 0
w – F A – N = 0
w = FA + N
F A = lực đẩy nổi do chất lỏng tác dụng lên vật, N = lực pháp tuyến do đáy tác dụng lên vật , w = gia tốc trọng trường của vật.
Tại sao tàu thuyền lại nổi trên mặt nước?
Sau khi nghiên cứu mô tả ở trên, giờ bạn hãy thử trả lời câu hỏi, tại sao một con tàu có khối lượng lớn lại không chìm trong khi cát nhẹ lại chìm trong biển? Cát chìm vì mật độ của cát lớn hơn mật độ của nước biển. Trong khi đó, con tàu, mặc dù được cấu tạo từ sắt có mật độ lớn hơn mật độ của nước biển (mật độ của sắt là 7874 kg/m³ , mật độ của nước biển là 1025 kg/m³ ) , nhưng thể tích của con tàu lại rất lớn, do đó nếu tính mật độ của con tàu bằng công thức mật độ ρ = m³/V thì giá trị nhỏ hơn mật độ của nước biển.
Nếu ta sử dụng khái niệm lực nổi và trọng lực, thì tàu thuyền nổi được vì lực nổi lớn hơn trọng lực của tàu.
Tàu ngầm lặn như thế nào?
Để nổi trên mặt nước, mật độ của tàu ngầm phải nhỏ hơn mật độ của nước biển; tương tự, tàu ngầm có thể lặn nếu mật độ của nó lớn hơn hoặc bằng mật độ của nước biển. Thể tích của tàu ngầm là như nhau, vì vậy để nó có thể lặn và nổi, mật độ của tàu ngầm có thể được thay đổi bằng cách bơm nước và không khí vào các khoang chứa nước dằn. Nếu muốn lặn, nước được bơm vào khoang chứa nước dằn, và nếu muốn nổi lên mặt nước, nước được rút ra khỏi khoang và không khí được bơm vào.
Dựa trên khái niệm lực nổi và trọng lực, tàu ngầm có thể nổi nếu lực nổi lớn hơn trọng lực của tàu. Tàu ngầm có thể lặn nếu trọng lực của tàu lớn hơn lực nổi do nước biển tác dụng lên tàu.
Tại sao và bằng cách nào khinh khí cầu có thể bay
Khinh khí cầu bay được trên không trung vì bên trong khinh khí cầu có khí có mật độ nhỏ hơn mật độ không khí xung quanh. Ngược lại, nếu mật độ khí bên trong khinh khí cầu bằng với mật độ không khí xung quanh, khinh khí cầu sẽ rơi xuống đất và không bay lên cao.
Dựa trên nguyên lý lực đẩy nổi, khinh khí cầu bay lên vì lực đẩy nổi lớn hơn lực hấp dẫn của khinh khí cầu. Khinh khí cầu rơi xuống đất khi lực hấp dẫn của khinh khí cầu lớn hơn lực đẩy nổi do không khí tác dụng lên khinh khí cầu.
V. CÁC CÂU HỎI VÍ DỤ
5.1. Trọng lượng của vật trong không khí là 5 N, trọng lượng của vật khi đo trong chất lỏng là 4 N. Lực đẩy nổi lớn đến mức nào?
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết:
Trọng lượng của vật tải trong không khí (w) = 5 N
Trọng lượng vật tải trong nước (w F ) = 4 N
Câu hỏi: Lực đẩy nổi ( FA )
Trả lời:
Khi đo trong chất lỏng, một phần trọng lượng của vật bị mất đi do lực đẩy nổi. Độ lớn của lực đẩy nổi bằng hiệu số giữa trọng lượng của vật trong không khí và trọng lượng của vật trong chất lỏng.
F A = 5 – 4 = 1 Newton
5.2. Một bình chứa đầy nước, người ta thả một hòn đá vào sao cho một phần nước bị tràn ra ngoài. Thể tích nước bị tràn ra là 0,1 m³ . Khối lượng riêng của nước = 1000 kg/m³ , gia tốc trọng trường = 10 m/s² . Lực đẩy nổi của nước tác dụng lên hòn đá là bao nhiêu?
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết:
Thể tích nước tràn (V) = 0,1 m³
Khối lượng riêng của nước ( ρ ) = 1000 kg/ m³
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/ s²
Câu hỏi: Lực đẩy nổi ( FA )
Trả lời:
F A = ρ g V = (1000)(10)(0,1) = 1000 N
5.3. Khi đặt một vật vào một thùng chứa đầy nước biển, một lượng nước biển bị tràn ra ngoài khoảng 0,2 m³ . Khối lượng riêng của nước biển là 1025 kg/m³ . Gia tốc trọng trường là 10 m/s² . Tính khối lượng của lượng nước biển bị tràn ra ngoài.
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết:
Thể tích (V) = 0,2 m³
Khối lượng riêng của nước biển (ρ) = 1025 kg/ m³.
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/ s²
Câu hỏi: Khối lượng nước biển bị dịch chuyển/tràn ra biển
Trả lời:
Định luật Archimedes phát biểu rằng độ lớn của lực đẩy nổi bằng trọng lượng của nước biển bị chiếm chỗ/tràn ra.
F A = ρ g V = (1025)(10)(0,2) = 2050 N
5.4. Một kim loại nặng 100 N khi đo trong không khí và 80 N khi đo trong nước. Thể tích của kim loại là bao nhiêu? Khối lượng riêng của nước = 1000 kg/m³ , gia tốc trọng trường = 10 m/ s².
Cuộc thảo luận
Ai cũng biết:
Khối lượng riêng trong không khí (w) = 100 N
Khối lượng trong nước (w f ) = 80 N
Khối lượng riêng của nước ( ρ) = 1000 kg/ m³
Gia tốc trọng trường (g) = 10 m/ s²
Câu hỏi: Thể tích kim loại
Trả lời:
F A = 100 – 80 = 20 N
F A = ρ g V
20 = (1000)(10) V
20 = 10.000V
5.5. Một vật nặng 20 N được đặt trong chất lỏng. Nếu lực đẩy của vật là 30 N, vật đó sẽ chìm, nổi hay nổi?
Cuộc thảo luận
Lực đẩy nổi lớn hơn trọng lượng của vật, F A > w, nên vật nổi.
Vật sẽ chìm nếu lực đẩy nổi nhỏ hơn trọng lượng của vật (F <sub>A </sub> < w)
VI. CÂU HỎI LUYỆN TẬP VÀ ĐÁP ÁN
https://gurumuda.net/soal-ujian/soal-latihan-hukum-archimedes
VII. CÂU HỎI KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ HÌNH THỨC
https://gurumuda.net/soal-ujian/tes-formatif-hukum-archimedes
????
