BÀI 17. LỰC ĐẨY ARCHIMEDES
BÀI 17. LỰC ĐẨY ARCHIMEDES
Mục tiêu bài học
- Nhận biết được chất lỏng tác dụng lực đẩy lên vật đặt trong chất lỏng.
- Nêu được đặc điểm của lực đẩy Archimedes.
- Rút ra được điều kiện định tính để vật nổi lên hoặc chìm xuống trong chất lỏng.
- Nêu và vận dụng được định luật Archimedes: \(F_A=d\cdot V\).
- Giải thích được một số hiện tượng thực tế như cá nổi - chìm, tàu thuyền nổi trên nước.
I. Lực đẩy tác dụng lên vật đặt trong chất lỏng
Khi đặt một vật vào chất lỏng, vật vẫn chịu tác dụng của trọng lực \(P\) hướng thẳng đứng xuống dưới. Đồng thời, chất lỏng cũng tác dụng lên vật một lực đẩy hướng thẳng đứng từ dưới lên.
Lực đẩy do chất lỏng tác dụng lên vật đặt trong nó gọi là lực đẩy Archimedes, kí hiệu là \(F_A\).
Đặc điểm của lực đẩy Archimedes
- Tác dụng lên vật đặt trong chất lỏng.
- Có phương thẳng đứng.
- Có chiều từ dưới lên trên.
- Có thể làm vật nổi lên, chìm xuống hoặc lơ lửng trong chất lỏng tùy vào sự so sánh với trọng lượng của vật.
Ví dụ: Khi dùng tay nhấn một quả bóng xuống nước, ta cảm thấy nước đẩy quả bóng lên. Khi thả tay, quả bóng nổi lên mặt nước do lực đẩy của nước lớn hơn trọng lượng của quả bóng.
II. Vật nổi, vật chìm trong chất lỏng
Khi một vật ở trong lòng chất lỏng, có hai lực chính tác dụng lên vật:
- Trọng lực \(P\), hướng thẳng đứng xuống dưới.
- Lực đẩy Archimedes \(F_A\), hướng thẳng đứng từ dưới lên trên.
| So sánh lực | Kết quả | Ví dụ |
|---|---|---|
| \(F_A<P\) | Vật chìm xuống. | Viên bi sắt, ốc vít kim loại chìm trong nước. |
| \(F_A>P\) | Vật nổi lên. | Miếng xốp, nắp chai nhựa nổi lên trong nước. |
| \(F_A=P\) | Vật cân bằng, có thể lơ lửng hoặc nổi ổn định. | Cá giữ được độ sâu trong nước nhờ điều chỉnh bóng khí. |
Có thể so sánh bằng trọng lượng riêng:
- Vật chìm nếu trọng lượng riêng của vật lớn hơn trọng lượng riêng của chất lỏng.
- Vật nổi nếu trọng lượng riêng của vật nhỏ hơn trọng lượng riêng của chất lỏng.
- Vật lơ lửng nếu trọng lượng riêng của vật xấp xỉ bằng trọng lượng riêng của chất lỏng.
III. Cá nổi lên và chìm xuống như thế nào?
Nhiều loài cá có bóng khí trong cơ thể. Khi cá đưa thêm không khí vào bóng khí, thể tích cơ thể tăng, lực đẩy Archimedes tăng nên cá có thể nổi lên. Khi bóng khí nhỏ lại, thể tích cơ thể giảm, lực đẩy Archimedes giảm nên cá có thể chìm xuống.
IV. Độ lớn của lực đẩy Archimedes
1. Thí nghiệm xác định độ lớn lực đẩy
Trong thí nghiệm, treo một quả nặng vào lực kế để đo trọng lượng \(P\) của quả nặng trong không khí. Sau đó nhúng quả nặng vào bình tràn đựng đầy nước. Khi quả nặng chìm trong nước, số chỉ của lực kế giảm còn \(F_1\), đồng thời có một lượng nước tràn ra ngoài.
Độ lớn lực đẩy Archimedes được xác định bằng:
\(F_A=P-F_1\)
Khi đo trọng lượng của lượng nước tràn ra, ta thấy lực đẩy Archimedes có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
| Thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ | Lực đẩy Archimedes | Trọng lượng chất lỏng bị chiếm chỗ |
|---|---|---|
| Tăng dần | Tăng dần | Tăng dần |
| Cùng một thể tích | Lớn hơn trong chất lỏng có trọng lượng riêng lớn hơn. | Lớn hơn nếu chất lỏng nặng hơn. |
2. Định luật Archimedes
Một vật đặt trong chất lỏng chịu tác dụng của một lực đẩy hướng thẳng đứng từ dưới lên. Độ lớn của lực đẩy này bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
Công thức lực đẩy Archimedes
\(F_A=d\cdot V\)
| \(F_A\) | lực đẩy Archimedes, đơn vị niutơn \((N)\) |
| \(d\) | trọng lượng riêng của chất lỏng, đơn vị \(\mathrm{N/m^3}\) |
| \(V\) | thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ, đơn vị \(\mathrm{m^3}\) |
Lưu ý: Nếu vật chìm hoàn toàn trong chất lỏng thì \(V\) bằng thể tích của vật. Nếu vật chỉ chìm một phần thì \(V\) là thể tích phần vật chìm trong chất lỏng.
V. Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Một vật có thể tích phần chìm trong nước là \(2\cdot10^{-4}\,m^3\). Biết trọng lượng riêng của nước là \(10000\,N/m^3\). Tính lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật.
Giải:
\(F_A=d\cdot V=10000\cdot2\cdot10^{-4}=2\,N\)
Vậy lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật là \(2\,N\).
Ví dụ 2. Một vật có trọng lượng \(P=5\,N\). Khi nhúng vào nước, lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật là \(3\,N\). Vật nổi lên hay chìm xuống?
Giải:
Ta có \(F_A=3\,N<P=5\,N\), nên lực đẩy nhỏ hơn trọng lượng của vật.
Vậy vật sẽ chìm xuống.
VI. Vì sao tàu rất nặng vẫn nổi được?
Một con tàu làm bằng kim loại có khối lượng rất lớn nhưng bên trong rỗng, nên thể tích phần nước bị tàu chiếm chỗ rất lớn. Khi đó lực đẩy Archimedes \(F_A=d\cdot V\) có thể đủ lớn để cân bằng với trọng lượng của tàu, làm tàu nổi trên mặt nước.
Tương tự, cùng một viên đất nặn, nếu vo thành viên tròn đặc thì dễ chìm vì thể tích nước bị chiếm chỗ nhỏ. Nếu nặn thành hình thuyền rỗng, thể tích nước bị chiếm chỗ tăng lên, lực đẩy Archimedes tăng nên vật có thể nổi.
VII. Em đã học
- Một vật đặt trong chất lỏng chịu tác dụng của lực đẩy Archimedes hướng thẳng đứng từ dưới lên.
- Độ lớn lực đẩy Archimedes bằng trọng lượng của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ.
- Công thức tính lực đẩy Archimedes: \(F_A=d\cdot V\).
- Vật chìm xuống khi \(F_A<P\), nổi lên khi \(F_A>P\), cân bằng khi \(F_A=P\).
- Vật chìm nếu trọng lượng riêng của vật lớn hơn trọng lượng riêng của chất lỏng; vật nổi nếu trọng lượng riêng của vật nhỏ hơn trọng lượng riêng của chất lỏng.
VIII. Câu hỏi tự kiểm tra
- Lực đẩy Archimedes là gì? Lực này có phương và chiều như thế nào?
- Khi một vật đặt trong chất lỏng, vật chịu tác dụng của những lực nào?
- Nêu điều kiện để vật chìm xuống, nổi lên hoặc cân bằng trong chất lỏng.
- Phát biểu định luật Archimedes và viết công thức tính lực đẩy Archimedes.
- Trong công thức \(F_A=d\cdot V\), \(d\) và \(V\) là gì?
- Vì sao cá có thể nổi lên hoặc chìm xuống trong nước?
- Vì sao tàu kim loại rất nặng nhưng vẫn nổi được trên mặt nước?
- Một vật chiếm chỗ \(5\cdot10^{-4}\,m^3\) nước. Biết \(d_{\text{nước}}=10000\,N/m^3\). Tính lực đẩy Archimedes tác dụng lên vật.