Bài 12 vật lý 8: Sự nổi

Tóm tắt lý thuyết

1. Điều kiện để vật nổi, vật chìm

Một vật nằm trong lòng chất lỏng thì nó chịu tác dụng của trọng lực P, lực đẩy Acsimét. Hai lực này cùng phương, ngược chiều.

Vật chìm xuống khi lực đẩy Ác-si-mét Fa nhỏ hơn trọng lượng P: \[{{P}_{A}}<>
Vật nổi lên khi: \[{{P}_{A}}>P\]
Vật lơ lửng trong chất lỏng khi: \[{{P}_{A}}=P\]

2. Độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét khi vật nổi trên mặt thoáng chất lỏng:

Khi vật nổi trên mặt chất lỏng thì lực đẩy Ác-si-mét: \[{{P}_{A}}=d.v\]

Trong đó:

V: Thể tích cuả phần chìm trong chất lỏng (không phải là thể tích của vật),
d: Trọng lượng riêng của chất lỏng

Lưu ý:

Khi nhúng chìm vật rắn vào trong một bình chất lỏng thì có ba trường hợp xảy ra: Vật chìm xuống; Vật nằm lơ lửng trong long chất lỏng; Vật nổi lên trên mặt chất lỏng.

Trường hợp vật đang chìm xuống, nằm lơ lửng trong chất lỏng và đang nổi lên, là những trường hợp tương đối dễ để phân tích và HS thường mắc phải sai lầm. tuy nhiên, trường hợp vật đã nằm yên ở đáy bình và nhất là trường hợp vật nằm yên trên mặt chất lỏng, là những trường hợp mà HS dễ nhầm lẫn.
Trường hợp vật đã nằm yên ở đáy bình, HS thường chỉ hiểu trong trường hợp này \[{{P}_{A}}

3. Bài tập minh họa

Bài 1. Cùng một vật nổi trên hai chất lỏng khác nhau (hình bên).

Hãy so sánh lực đẩy Ác-si-mét trong hai trường hợp đó. Trọng lượng riêng của chất lông nào lớn hơn? Tại sao?

Hướng dẫn giải:

Khi vật nối trên chất lỏng thì lực đẩy Ác-si-mét cân bằng với trọng lượng của vật

Ta có:

Trường hợp thứ nhất: \[{{F}_{1}}={{d}_{1}}.{{v}_{1}}\]
Trường hợp thứ hai: \[{{F}_{2}}={{d}_{2}}.{{v}_{2}}\]

Mà \[{{F}_{1}}={{F}_{2}}\] và \[{{V}_{1}}={{V}_{2}}\] ( V₁ _,V₂ thể tích của phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ).

Do đó, trọng lượng riêng của chất lỏng thứ hai lớn hơn trọng lượng riêng của chất lỏng thứ nhất

Bài 2. Một chiếc xà lan có dạng hình hộp dài 4m, rộng 2m. Xác định trọng lượng của xà lan biết xà lan ngập sâu trong nước 0,5m. Trọng lượng riêng của nước là

Hướng dẫn giải:

Trọng lượng riêng của xà lan có độ lớn bằng độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên xà lan.

Khi đó: \[p=F=d.V=10000.4.2.05=40000N.\]

Vậy trọng lượng riêng của xà lan là: p= 40000N

B. Giải bài tập trong sách giáo khoa

Giải bài tập 1 trang 43 SGK vật lý lớp 8: Một vật ở trong lòng chất lỏng chịu tác dụng của những lực nào, phương và chiều của chúng có giống nhau không?

Hướng dẫn giải

Vật nằm trong chất lỏng chịu tác dụng của lực đẩy Ácsimét và trọng lực P. Hai lực này đều có phương thẳng đứng, trong đó lực đẩy Ácsimét có chiều từ dưới lên trên còn trọng lực có chiều từ trên xuống dưới.

Giải bài tập 2 trang 43 SGK vật lý lớp 8: Có thể xảy ra 3 trường hợp sau đây đối với trọng lượng p của vật và độ lớn FA của lực đẩy Ácsimét: Hãy vẽ các vectơ lực tương ứng với 3 trường hợp trên vào hình vẽ trên và chọn cụm từ thích hợp trong số các cụm từ sau đây cho các chỗ trống trong các câu trong hình vẽ:

a) Chuyển động lên trên: (Nổi lên mặt thoáng)

b) Chuyển động xuống dưới: (Chìm xuống đáy bình)

c) Đứng yên: (Lơ lửng trong chất lỏng

Giải bài tập 3 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Tại sao miếng gỗ thả vào nước lại nổi?

Hướng dẫn giải

Do trọng lượng riêng của gỗ nhỏ hơn so với trọng lượng riêng của nước nên khi thả miếng gỗ vào nước nó sẽ nổi.

Giải bài tập 4 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Khi miếng gỗ nổi trên mặt nước, trọng lượng p của nó và lực đẩy Ác-si-mét có bằng nhau không? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Khi miếng gỗ nổi trên mặt nước, trọng lượng p của nó và lực đẩy Ác-si-mét bằng nhau. Miếng gỗ nổi và đứng yên trên mặt nước nghĩa là trọng lực p và lực đẩy Ác-si-mét cân bằng nhau.

Giải bài tập 5 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Trong hình vẽ bên. Độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét được tính bằng biểu thức: FA = d.V , Trong đó d là trọng lượng riêng của chất lỏng, còn V là gì? Trong các câu Hướng dẫn giải sau đây, câu nào là không đúng?

A. V là thể tích của phần nước bị miếng gỗ chiếm chỗ

B. V là thể tích của cả miếng gỗ

C. V là thể tích của phần miếng gỗ chìm trong nước

D. V là thể tích được gạch chéo.

Hướng dẫn giải

Chọn đáp án B. V là thể tích của cả miếng gỗ.

Giải bài tập 6 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Biết p = dv.V (trong đó dv là trọng lượng riêng của chất làm vật. V là thể tích của vật) và FA = d1. V (trong đó d1 là trọng lượng riêng của chất lỏng), hãy chứng minh rằng nếu vật là một khôi đặc nhúng ngập vào trong chất lỏng thì:

- Vật sè chìm xuống khi: dv > d1

- Vật sẽ lo lửng trong chất lỏng khi: dv = d1

- Vật sẽ nổi lên mặt chất lỏng khi: dv < d1

Hướng dẫn giải

So sánh trọng lượng của vật và lực đẩy Ác-si-mét do chất lỏng tác dụng lên vật: p = dv.V và F = d1.v. Nếu: - dv > d1 thì p > F: Vật sẽ chìm xuông - dv = d1 thì p = F: Vật sẽ lơ lửng trong chất lỏng. - dv < d1 thì p < F: Vật sẽ nổi lên mặt chất lỏng.

Giải bài tập 7 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Hãy giúp Bình Hướng dẫn giải An trong phần đố nhau ở đầu bài.

Hướng dẫn giải

Do cấu trúc của hòn bi thép và chiếc tàu bằng thép khác nhau nên trọng lượng riêng hai vật này khác nhau. Tàu bằng thép rất nặng nhưng lại rỗng bên trong (trong là không khí hay những vật liệu nhẹ khác) do đó nếu xét cả con tàu thì trọng lượng riêng của tàu nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước nên tàu nổi trên mặt nước. Trong khi đó trọng lượng riêng của viên bi thép lớn hơn trọng lượng riêng của nước nên nó chìm.

Giải bài tập 8 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Thả một hòn bi thép vào thủy ngân thì bi nổi hay chìm? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Do trọng lượng riêng của thép (78000 N/m3) nhỏ hơn trọng lượng riêng của thủy ngân (136000 N/m3) nên khi thả hòn bi thép vào thủy ngân thì hòn bi sẽ nổi.

Giải bài tập 9 trang 44 SGK vật lý lớp 8: Hai vật A và B có cùng thể tích được nhúng nhập trong nước. Vật A chìm xuống đáy bình còn vật B lơ lửng trong chất lỏng. Gọi PA, FA là trọng lượng và lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên vật A: PB, FB là trọng lượng và lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên vật B. Hãy tìm dấu thích hợp cho các ô trống:

C. GIẢI BÀI TẬP

B1. Khi vật nổi trên chất lỏng thì lực đẩy Ác-si-mét có cường độ:

A. Bằng trọng lượng của phần vật chìm trong nước.

B. Bằng trọng lượng của phần nước bị vật chiếm chỗ.

C. Bằng trọng lượng của vật.

D. Bằng trọng lượng riêng của nước nhân với thể tích của vật.

Hướng dẫn giải

Chọn câu B: Bằng trọng lượng của phần nước bị vật chiếm chỗ.

B2. Cùng một vật nổi trên hai chất lỏng khác nhau (hình bên). Hãy so sánh lực đẩy Ác-si-mét trong hai trường hợp đó. Trọng lượng riêng của chất lông nào lớn hơn? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Khi vật nối trên chất lỏng thì lực đẩy Ác-si-mét cân bằng với trọng lượng của vật nên lực đẩy Ác-si-mét trong hai trường hợp đó bằng nhau (và bằng trọng lượng của vật). Ta có: Trường hợp thứ nhất: F1 = d1V1 Trường hợp thứ hai: F2 = d2V2 Mà F1 = F2 và V1 > V2 (V1, V2 là thể tích của phần chất lỏng bị vật chiếm chồ).

Do đó, trọng lượng riêng của chất lỏng thứ hai lớn hơn trọng lượng riêng của chất lỏng thứ nhất hay d1 < d2.

B3. Tại sao một lá thiếc mỏng, vo tròn lại rồi thả xuống nước thì chìm, còn gấp thành thuyền thả xuống nước lại nổi?

Hướng dẫn giải

Lá thiếc mỏng được vo tròn lại thả xuống nước thì chìm vì trọng lượng riêng của lá thiếc lớn hơn trọng lượng riêng của nước. Lá thiếc mỏng đó được gấp thành thuyền thả xuômg nước lại nổi vì trọng lượng riêng của thuyền nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước (thể tích của thuyền lớn hơn rất nhiều thể tích của lá thiếc vo tròn nên dtb thuyên < dnước).

B4. Hình bên vẽ hai vật giống nhau về hình dạng và kích thước nổi trên nước. Một làm bằng li-e (khôi lượng riêng 200kg/m3) và một làm bằng gỗ khô (khôi lượng riêng 600kg/m3). Vật nào là li-e? Vật nào là gỗ khô? Giải thích?

Hướng dẫn giải

Khi vật nổi trên chất lỏng nghĩa là trọng lượng của vật cân bằng với lực đẩy Ác-si-mét. Nhưng lực Ác-si-mét bằng trọng lượng của phần thể tích chất lỏng bị vật chiếm chỗ. Khối lượng riêng của vật càng nhỏ hơn so với khối lượng riêng của chất lỏng thì phần vật chìm trong chất -ỏng sẽ càng nhỏ.

Như vậy mẫu thứ nhất là li-e, mẫu thứ hai là gỗ khô.

B5. Gắn một quả cầu bằng chì vào giữa mặt đang nổi trên nước của một miếng gỗ (hình bên). Nếu quay ngược miếng gỗ cho quả cầu nằm trong nước thì mực nước có thay đổi không? Tại sao?

Hướng dẫn giải

Mực nước trong bình không thay đổi do lực đẩy Ác-si-mét trong cả hai trường hợp đều có độ lớn bằng trọng lượng của miếng gỗ và quả cầu (thể tích nước bị chiếm chỗ trong cả hai trường hợp đó cũng bằng nhau).

B6. Một chiếc xà lan có dạng hình hộp dài 4m, rộng 2m. Xác định trọng lượng của xà lan biết xà lan ngập sâu trong nước 0,5m. Trọng lượng riêng của nước là 10.000N/m3.

Hướng dẫn giải

Trọng lượng riêng của xà lan có độ lớn bằng độ lớn của lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên xà lan. Khi đó: p = F = d.V = 10000.4.2.05 = 40000N.

B7. Một vật có trọng lượng riêng là 26.000N/m3. Treo vật vào một lực kế rồi nhúng vật ngập trong nước thì lực kế chỉ 150N. Hỏi nếu treo vật ở ngoài không khí thì lực kế chỉ bao nhiêu? (cho biết trọng lượng riêng của nước là 10.000N/m3).

Hướng dẫn giải

Giả thiết:

d = 26000N/m3 Pn = 150N

dn= 10000 N/m3 p = ?

Nhúng chìm vật trong nước, vật chịu tác dụng của lực đẩy Ác-si- mét nên vật nhẹ hơn ngoài không khí.

Do lực đẩy Ác-si-mét chính là hiệu số giữa trọng lượng của vật ở ngoài không khí với trọng lượng của vật ở trong nước nên: F = P - Pn.

Trong đó: p là trọng lượng của vật ở trong không khí

Pn là trọng lượng của vật ở trong nước

Hay dnV = dV - Pn

Trong đó: V là thể tích của vật dn là trọng lượng riêng của nước d là trọng lượng riêng của vật

Suy ra: dV - dnV= Pn ⇔ V(d - dn) = Pn ⇔ V = Pn/(d-dn) T

rọng lượng của vật ở ngoài không khí là: