Giáo án Bài 34. Khối lượng riêng. Áp suất chất lỏng

Tạo tình huống có vấn đề, kích thích HS nhận ra áp suất chất lỏng có liên quan đến độ sâu và xác định nhiệm vụ học tập của bài.

HS quan sát hình đập thuỷ điện và hình thợ lặn trong bộ đồ lặn, trả lời câu hỏi: Vì sao đáy đập được xây dày hơn đỉnh đập? Vì sao thợ lặn cần bộ đồ chịu được áp lực lớn khi lặn sâu? Từ đó xác định ba câu hỏi cần giải quyết: khối lượng riêng và áp suất là gì; áp suất chất lỏng phụ thuộc độ sâu như thế nào; ứng dụng của áp suất chất lỏng.

HS nêu được dự đoán ban đầu: nước càng ở sâu thì đẩy càng mạnh nên thành đập ở đáy chịu lực lớn hơn; khi lặn sâu, áp lực nước lên cơ thể tăng. HS ghi vào vở ba câu hỏi cần giải quyết của bài: (1) Khối lượng riêng và áp suất là gì? (2) Áp suất chất lỏng phụ thuộc độ sâu như thế nào? (3) Ứng dụng của áp suất chất lỏng là gì?

HS nêu được định nghĩa, công thức và đơn vị của khối lượng riêng và áp suất; đổi đúng đơn vị thể tích từ cm³ sang m³.

HS hoạt động nhóm 4, hoàn thành Phiếu học tập số 1 gồm: (a) Nêu định nghĩa khối lượng riêng và viết công thức $\rho=\dfrac{m}{V}$; (b) Tính khối lượng riêng của mẫu chất có m = 0,5 kg, V = 0,0005 m³; (c) Đổi 100 cm³ sang m³; (d) Nêu định nghĩa áp suất, viết công thức $p=\dfrac{F}{S}$ và tính áp suất khi F = 100 N tác dụng vuông góc lên S = 0,02 m²; (e) Nêu đơn vị Pa và giải thích $1\ \mathrm{Pa}=1\ \mathrm{N/m^2}$.

• Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích chất; $\rho=\dfrac{m}{V}$, đơn vị $\mathrm{kg/m^3}$.
• Mẫu chất: $\rho=\dfrac{0{,}5}{0{,}0005}=1000\ \mathrm{kg/m^3}$.
• $100\ \mathrm{cm^3}=100\times 10^{-6}\ \mathrm{m^3}=10^{-4}\ \mathrm{m^3}$.
• Áp suất là độ lớn áp lực trên một đơn vị diện tích bị ép; $p=\dfrac{F}{S}$; $p=\dfrac{100}{0{,}02}=5000\ \mathrm{Pa}$.
• $1\ \mathrm{Pa}$ là áp suất do lực $1\ \mathrm{N}$ tác dụng vuông góc lên diện tích $1\ \mathrm{m^2}$.

Từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng, HS nhận ra áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu, như nhau theo mọi hướng ở cùng độ sâu, và thành lập được công thức $p=p_a+\rho gh$, $\Delta p=\rho g\Delta h$.

Phần 1 (GV biểu diễn, khoảng 7 phút): GV đặt đầu dò nối áp kế chữ U vào bình nhựa chứa nước, hạ dần đầu dò từ mặt nước xuống các độ sâu khác nhau, đọc độ chênh mực chất lỏng trên áp kế và ghi bảng. Phần 2 (HS thực hiện trên mô phỏng NeoEdu, khoảng 15 phút): nhóm mở mô phỏng bình trụ thuỷ tinh, dùng đầu dò màng cao su S = 10 cm²: (1) Hạ đầu dò trong nước đến h = 20 cm và h = 40 cm, ghi lực F và tính p = F/S; (2) Ở cùng độ sâu 20 cm, quay màng xuống, ngang và lên, so sánh số đo; (3) Đổi sang dầu ăn (800 kg/m³) và nước muối (1200 kg/m³) ở cùng độ sâu 20 cm, so sánh áp suất. Ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2. Phần 3 (cả lớp, khoảng 3 phút): thảo luận để thành lập công thức.

Kết quả trên mô phỏng (g = 9,8 m/s²):

• Nước, h = 20 cm: $F=1{,}96\ \mathrm{N}$, $p=\dfrac{F}{S}=1960\ \mathrm{Pa}$, khớp với $\rho gh=1000\times 9{,}8\times 0{,}2=1960\ \mathrm{Pa}$.
• Nước, h = 40 cm: $p=3920\ \mathrm{Pa}$, gấp đôi khi độ sâu gấp đôi.
• Cùng độ sâu 20 cm, quay màng xuống, ngang hoặc lên: số đo không đổi, chất lỏng ép theo mọi hướng.
• Cùng độ sâu 20 cm: dầu ăn $p=800\times 9{,}8\times 0{,}2=1568\ \mathrm{Pa}$; nước muối $p=1200\times 9{,}8\times 0{,}2=2352\ \mathrm{Pa}$; khối lượng riêng càng lớn thì áp suất càng lớn.

Kết luận HS rút ra: áp suất chất lỏng tăng tỉ lệ với độ sâu và phụ thuộc khối lượng riêng; $\Delta p=\rho g\Delta h$; khi tính áp suất tuyệt đối, cộng áp suất mặt thoáng: $p=p_a+\rho gh$.

HS giải thích được vì sao đập thuỷ điện xây đáy dày hơn đỉnh và vì sao thợ lặn sâu cần bộ đồ chịu áp; ước lượng được 10 m nước tương ứng khoảng 1 atm.

Nhóm thảo luận các câu hỏi: (1) Vì sao đập thuỷ điện xây đáy dày hơn đỉnh? (2) Khi lặn sâu, áp suất nước tác dụng lên cơ thể thợ lặn thay đổi thế nào? (3) Theo công thức $p=p_a+\rho gh$, cứ 10 m nước làm áp suất tăng khoảng bao nhiêu so với mặt thoáng? Ước lượng với $\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g=9{,}8\ \mathrm{m/s^2}$.

• Đập thuỷ điện: áp suất nước tăng theo độ sâu nên đáy đập chịu áp suất lớn hơn đỉnh, cần thành dày và chắc hơn.
• Lặn sâu: độ sâu tăng thì áp suất nước tăng; bộ đồ lặn phải chịu được áp suất lớn để bảo vệ cơ thể.
• Ước lượng: $\rho gh=1000\times 9{,}8\times 10=98000\ \mathrm{Pa}\approx 1\ \mathrm{atm}$. Vậy cứ khoảng 10 m nước, áp suất tăng thêm khoảng 1 atm.

HS vận dụng các công thức $\rho=\dfrac{m}{V}$, $p=\dfrac{F}{S}$, $\Delta p=\rho g\Delta h$ và $p=p_a+\rho gh$ để giải bài tập; nhận biết đúng đơn vị và phương án trắc nghiệm.

Bài tập 1: m = 0,5 kg, V = 0,0005 m³. Tính ρ (kg/m³).
Bài tập 2: F = 100 N vuông góc S = 0,02 m². Tính p (Pa).
Bài tập 3: Nước ρ = 1000 kg/m³, g = 10 m/s², h = 0,5 m. Tính chênh áp so với mặt thoáng (Pa).
Bài tập 4: Áp suất mặt thoáng p = 100000 Pa, ρgh = 5000 Pa. Tính áp suất tuyệt đối (Pa).
Bài tập 5: Trong cùng chất lỏng đứng yên, áp suất tăng thêm phụ thuộc vào đại lượng nào? A. Tổng khối lượng nước bất kể độ sâu; B. Độ sâu và khối lượng riêng; C. Hình dạng bình riêng lẻ; D. Diện tích đáy riêng lẻ.
Bài tập 6: Đổi 100 cm³ sang m³ được giá trị nào? A. 0,01 m³; B. 0,1 m³; C. 1000000 m³; D. 0,0001 m³.
HS làm cá nhân trước, sau đó kiểm tra chéo trong cặp đôi.

Đáp án:

• Bài 1: $\rho=\dfrac{0{,}5}{0{,}0005}=1000\ \mathrm{kg/m^3}$.
• Bài 2: $p=\dfrac{100}{0{,}02}=5000\ \mathrm{Pa}$.
• Bài 3: $\Delta p=\rho g h=1000\times 10\times 0{,}5=5000\ \mathrm{Pa}$.
• Bài 4: $p=p_a+\rho gh=100000+5000=105000\ \mathrm{Pa}$.
• Bài 5: Đáp án B ($\Delta p=\rho gh$, với g xác định, phụ thuộc độ sâu và khối lượng riêng).
• Bài 6: Đáp án D ($100\times 10^{-6}=10^{-4}\ \mathrm{m^3}=0{,}0001\ \mathrm{m^3}$).

HS đánh giá đúng sai các phát biểu về áp suất trong bình thông nhau, tính chênh áp giữa hai điểm và giải thích vì sao không cần biết áp suất khí quyển.

Bài tập 7: Xét cùng chất lỏng đồng nhất đứng yên trong các nhánh bình thông nhau, cùng áp suất mặt thoáng; g không đổi. Đánh giá các phát biểu: a) Pa = N/m². b) Cùng độ sâu trong cùng chất lỏng thông nhau có cùng áp suất. c) Áp suất dư luôn bằng áp suất tuyệt đối. d) Tăng gấp đôi h làm tăng gấp đôi ρgh nếu ρ, g không đổi.
Bài tập 8: Hai điểm trong nước chênh độ sâu 0,8 m, ρ = 1000 kg/m³, g = 9,8 m/s². Tính chênh áp và giải thích vì sao không cần biết áp suất khí quyển.

Đáp án bài 7: a) Đúng; b) Đúng; c) Sai (áp suất tuyệt đối bằng áp suất dư cộng áp suất khí quyển); d) Đúng.
Đáp án bài 8: $\Delta p=\rho g\Delta h=1000\times 9{,}8\times 0{,}8=7840\ \mathrm{Pa}$. Điểm sâu hơn có áp suất lớn hơn. Khi lấy hiệu hai áp suất, áp suất mặt thoáng $p_a$ bị trừ đi nên không cần giá trị khí quyển.
Biểu điểm gợi ý: công thức 0,25 điểm; số và đơn vị 0,25 điểm; hướng chênh 0,25 điểm; giải thích triệt tiêu áp suất mặt thoáng 0,25 điểm.

HS vận dụng công thức áp suất chất lỏng để tính áp suất ở đáy một bể nước thực tế và giải thích hiện tượng quan sát được ở vòi nước.

Tình huống: Một bể nước gia đình có độ sâu nước 1,5 m, mặt thoáng hở, $p_a=100000\ \mathrm{Pa}$, $\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g=10\ \mathrm{m/s^2}$. Nhiệm vụ: (1) Tính áp suất dư ở đáy bể. (2) Tính áp suất tuyệt đối ở đáy bể. (3) Vì sao vòi nước đặt ở đáy bể thường chảy mạnh hơn vòi đặt gần mặt nước? Mỗi cặp đôi hoàn thành, sau đó trình bày trong 2 phút.

• Áp suất dư ở đáy: $\rho gh=1000\times 10\times 1{,}5=15000\ \mathrm{Pa}$.
• Áp suất tuyệt đối: $p=p_a+\rho gh=100000+15000=115000\ \mathrm{Pa}$.
• Vòi ở đáy bể chịu áp suất dư lớn hơn nên nước phun ra mạnh hơn; khi mực nước giảm, áp suất dư giảm và tia nước yếu dần.
  Kết luận HS rút ra: áp suất chất lỏng tăng theo độ sâu; áp suất tuyệt đối bằng áp suất mặt thoáng cộng với $\rho gh$.