Tới nội dung

Vật lí lớp 8 · Bài 17 · 9 phút

Lực đẩy Archimedes

Tải bài tập về nhà (PDF, có lời giải)Xem trên YouTube

Mục lục video

Vì sao con tàu bằng thép nặng hàng nghìn tấn vẫn nổi, còn một hòn sỏi bé xíu lại chìm nghỉm?

1. Chất lỏng đẩy vật lên

Mọi vật nhúng trong chất lỏng đều bị chất lỏng đẩy lên. Lực này gọi là lực đẩy Archimedes, kí hiệu $F_A$ :

phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên trên;
tác dụng lên mọi vật đặt trong chất lỏng.

Đo lực đẩy bằng lực kế: đọc số chỉ khi vật treo ngoài không khí ( $P$ ), rồi khi vật nhúng trong nước ( $F$ ). Số chỉ nhỏ đi, phần nhỏ đi chính là lực đẩy:

$F_A = P - F$

Ví dụ 1. Kéo xô nước từ dưới giếng lên: lúc xô còn ngập trong nước, bạn kéo khá nhẹ; vừa nhấc xô khỏi mặt nước, tay bỗng thấy nặng hẳn. Lúc trước, nước đang đỡ giúp bạn một phần.
Ví dụ 2. Treo một hòn đá cuội vào lực kế: lực kế chỉ $3$ N. Nhúng hòn đá chìm hẳn trong cốc nước: lực kế chỉ $1{,}8$ N. Lực đẩy của nước: $F_A = 3 - 1{,}8 = 1{,}2$ N.

2. Lực đẩy lớn bao nhiêu?

$F_A = d \cdot V$

$d$ : trọng lượng riêng của chất lỏng (N/m³). Nước: $d = 10\,000$ N/m³.
$V$ : thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ = thể tích phần chìm của vật (m³).

Phần chìm chiếm chỗ của nước, nên mực nước dâng lên đúng bằng thể tích phần chìm.

Ví dụ 1. Thả hòn đá cuội ở trên vào bình chia độ: nước dâng từ $300$ cm³ lên $420$ cm³, vậy $V = 120$ cm³ $= 0{,}000\,12$ m³.
$F_A = 10\,000 \cdot 0{,}000\,12 = 1{,}2$ N — khớp đúng với số đo bằng lực kế!
Ví dụ 2 (có bẫy). Một khối gỗ thể tích $500$ cm³ nổi trên nước, phần chìm là $300$ cm³.
$F_A = 10\,000 \cdot 0{,}000\,3 = 3$ N. Không phải $5$ N — phần gỗ nhô lên khỏi mặt nước không chiếm chỗ của nước.

Độ sâu không làm thay đổi lực đẩy khi vật đã chìm hẳn: hạ hòn đá xuống sâu hơn, $V$ vẫn $120$ cm³, lực kế vẫn chỉ $1{,}8$ N. Chỉ lúc đang nhúng dần (phần chìm còn tăng) thì lực đẩy mới tăng dần.

3. Khi nào vật nổi, khi nào vật chìm?

Thả một vật trong lòng chất lỏng, vật chịu hai lực: trọng lượng $P$ kéo xuống, lực đẩy $F_A$ đẩy lên.

So sánh	Vật sẽ
$F_A < P$	chìm xuống
$F_A > P$	nổi lên
$F_A = P$ (trường hợp đặc biệt)	đứng yên lơ lửng trong chất lỏng

Ví dụ 1. Hòn đá cuội: $P = 3$ N, $F_A = 1{,}2$ N. Vì $F_A < P$ nên hòn đá chìm xuống đáy.
Ví dụ 2. Quả bóng nhựa: $P = 0{,}5$ N; khi bị giữ chìm hẳn, $F_A = 3$ N. Thả tay, $F_A > P$ nên bóng nổi lên. Lên tới mặt nước, phần chìm nhỏ dần, lực đẩy giảm dần, tới khi $F_A = P = 0{,}5$ N thì bóng nằm yên trên mặt nước.

Cách so sánh nhanh hơn: trọng lượng riêng.

$d_{\text{vật}} > d_{\text{lỏng}}$ : vật chìm.
$d_{\text{vật}} < d_{\text{lỏng}}$ : vật nổi.
Ví dụ 1. Một thân cây gỗ nặng $600$ N nổi trên sông, còn một chiếc đinh thép chỉ nặng $0{,}05$ N lại chìm. Gỗ có $d \approx 6\,000$ N/m³ $< 10\,000$ ; thép có $d \approx 78\,000$ N/m³ $> 10\,000$ . Nặng hay nhẹ không quyết định nổi hay chìm!
Ví dụ 2. Tấm thép đặc chìm, nhưng uốn thành con thuyền rỗng thì nổi: cả con thuyền (thép + khoảng không khí bên trong) chiếm chỗ rất nhiều nước, nên trọng lượng riêng trung bình nhỏ hơn nước.

Kí hiệu

Kí hiệu	Nghĩa	Đơn vị
$F_A$	lực đẩy Archimedes	N
$P$	trọng lượng của vật	N
$F$	số chỉ lực kế khi vật nhúng trong chất lỏng	N
$d$	trọng lượng riêng (của chất lỏng, hoặc của vật)	N/m³
$V$	thể tích phần chìm (phần chất lỏng bị chiếm chỗ)	m³

Đổi đơn vị: $1$ cm³ $= 0{,}000\,001$ m³; $1$ dm³ $= 1$ lít $= 0{,}001$ m³.

Lỗi hay gặp

Lấy $V$ là thể tích cả vật khi vật chỉ chìm một phần. $V$ luôn là thể tích phần chìm.
Nghĩ vật nặng thì chìm. Phải so trọng lượng riêng (hoặc so $F_A$ với $P$ ), không so trọng lượng của hai vật khác nhau.
Nghĩ càng xuống sâu lực đẩy càng lớn. Khi đã chìm hẳn, $V$ không đổi nên $F_A$ không đổi.
Quên đổi cm³ ra m³ trước khi nhân với $d$ .
Dùng $d$ của vật thay cho $d$ của chất lỏng trong công thức $F_A = d \cdot V$ .

Bài tập theo dạng

Dạng 1: Đo lực đẩy bằng lực kế

Cách làm: $F_A = P - F$ ( $P$ : số chỉ ngoài không khí, $F$ : số chỉ khi nhúng). Muốn tìm thể tích vật chìm hẳn: $V = F_A : d$ .

Bài 1. Treo một quả nặng bằng thép vào lực kế: ngoài không khí lực kế chỉ $5{,}5$ N, nhúng chìm hẳn trong nước lực kế chỉ $4{,}8$ N.
a) Tính lực đẩy của nước.
b) Hạ quả nặng sâu thêm $10$ cm (chưa chạm đáy). Lực kế chỉ bao nhiêu?
c) Tính thể tích quả nặng.

Đáp án

a) $F_A = 5{,}5 - 4{,}8 = 0{,}7$ N.
b) Vẫn $4{,}8$ N — đã chìm hẳn thì lực đẩy không đổi theo độ sâu.
c) $V = 0{,}7 : 10\,000 = 0{,}000\,07$ m³ $= 70$ cm³.

Bài 2. Một chiếc cờ lê treo vào lực kế chỉ $2{,}4$ N. Nhúng chìm hẳn trong nước, lực kế chỉ $2{,}1$ N. Tính lực đẩy và thể tích cờ lê.

Đáp án

$F_A = 2{,}4 - 2{,}1 = 0{,}3$ N; $V = 0{,}3 : 10\,000 = 0{,}000\,03$ m³ $= 30$ cm³.

Dạng 2: Tính lực đẩy bằng $F_A = d \cdot V$

Cách làm: (1) lấy $V$ là thể tích phần chìm, đổi ra m³; (2) lấy $d$ của chất lỏng; (3) nhân.

Bài 3.
a) Một khối nhôm thể tích $250$ cm³ chìm hẳn trong nước. Tính lực đẩy.
b) Cũng khối nhôm đó chìm hẳn trong dầu ăn ( $d = 8\,000$ N/m³). Tính lực đẩy.
c) Một phao xốp thể tích $4$ dm³ nổi trên nước, phần chìm là $0{,}5$ dm³. Tính lực đẩy.

Đáp án

a) $V = 0{,}000\,25$ m³; $F_A = 10\,000 \cdot 0{,}000\,25 = 2{,}5$ N.
b) $F_A = 8\,000 \cdot 0{,}000\,25 = 2$ N (chất lỏng nhẹ hơn thì đẩy yếu hơn).
c) $V = 0{,}5$ dm³ $= 0{,}000\,5$ m³; $F_A = 10\,000 \cdot 0{,}000\,5 = 5$ N (không phải $40$ N).

Dạng 3: Vật nổi hay chìm?

Cách làm: so sánh $F_A$ (khi vật chìm hẳn) với $P$ , hoặc so sánh $d_{\text{vật}}$ với $d_{\text{lỏng}}$ . Vật đang nổi yên trên mặt nước thì $F_A = P$ .

Bài 4.
a) Một quả bóng nhựa nặng $0{,}6$ N; khi bị giữ chìm hẳn trong nước, lực đẩy là $2{,}5$ N. Thả tay ra, bóng nổi lên hay chìm xuống?
b) Bạn Nam nói: "Thanh gỗ nặng $40$ N nặng hơn chiếc chìa khoá thép $0{,}3$ N, nên thả xuống nước thì thanh gỗ chìm, chìa khoá nổi." Nam đúng hay sai? (gỗ $d \approx 6\,000$ N/m³, thép $d \approx 78\,000$ N/m³.)
c) Một con thuyền đồ chơi nặng $2{,}4$ N đang nổi yên trên mặt nước. Tính thể tích phần chìm của thuyền.

Đáp án

a) $F_A = 2{,}5$ N $> P = 0{,}6$ N nên bóng nổi lên.
b) Sai. $d_{\text{gỗ}} < d_{\text{nước}}$ nên gỗ nổi; $d_{\text{thép}} > d_{\text{nước}}$ nên chìa khoá chìm.
c) Nổi yên nên $F_A = P = 2{,}4$ N; $V = 2{,}4 : 10\,000 = 0{,}000\,24$ m³ $= 240$ cm³.

Trò chơi ở nhà (5 phút)

"Đoán nổi – chìm": chuẩn bị một chậu nước và vài đồ vật an toàn (thìa inox, nắp hộp nhựa, quả chanh, cục tẩy, quả nho, que kem gỗ). Trước khi thả, mỗi người đoán "nổi" hay "chìm" và giải thích bằng trọng lượng riêng. Đoán đúng được 1 điểm.
Thử thêm: đặt nắp hộp nhựa ngửa lên mặt nước rồi thả từng đồng xu vào — nắp chìm thêm một chút sau mỗi đồng xu (phần chìm tăng để lực đẩy đủ đỡ). Nắp chở được bao nhiêu đồng xu thì chìm?