Giáo án Bài 17. Lực đẩy Archimedes

Huy động hiểu biết ban đầu của HS về hiện tượng vật nổi, vật chìm trong nước; xác định vấn đề: nước có tác dụng lực lên vật được nhúng vào hay không và lực đó phụ thuộc vào đâu.

GV đặt tình huống: thả một hòn bi thép đặc vào cốc nước (bi chìm), đặt một chiếc tàu làm từ tấm thép mỏng rỗng lên mặt nước (tàu nổi hoặc giữ được trên mặt nước). HS quan sát, dự đoán và trả lời các câu hỏi: (1) Nước có tác dụng lực lên hòn bi đang chìm không? (2) Vì sao cùng là thép nhưng tàu nổi còn bi thì chìm? (3) Lực của nước có phụ thuộc vào phần nước bị vật chiếm chỗ không?

Câu trả lời dự kiến ghi vào vở: (1) Có, nước đẩy vật lên, vì bi vẫn chịu lực đẩy dù chìm. (2) Tàu rỗng chiếm chỗ một thể tích nước lớn so với khối lượng của tàu nên lực đẩy đủ lớn để cân bằng trọng lượng. (3) Có khả năng: lực đẩy liên quan đến phần nước bị vật chiếm chỗ. GV ghi các dự đoán lên bảng để kiểm chứng sau.

Thông qua mô phỏng 3D, HS nhận biết lực đẩy có chiều hướng lên, độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ; nêu được khái niệm thể tích chiếm chỗ.

Nhóm 4 HS quan sát mô phỏng trên trang NeoEdu và làm Phiếu học tập số 1 theo các bước: (a) Treo khối nhôm $100\ \mathrm{cm}^3$ vào lực kế ngoài không khí, ghi số chỉ. (b) Hạ dần khối nhôm vào bình tràn; quan sát số chỉ lực kế và lượng nước tràn sang cốc hứng. (c) Khi vật ngập hẳn, ghi số chỉ lực kế và khối lượng nước trong cốc hứng; tính lực đẩy theo $F_A = D\cdot g\cdot V$ với $D = 1000\ \mathrm{kg/m}^3$, $g \approx 10\ \mathrm{N/kg}$, $V = 0{,}0001\ \mathrm{m}^3$. (d) Hạ sâu thêm, quan sát lực đẩy có đổi không. (e) Thay nước bằng dầu, so sánh $F_A$. Câu hỏi GV đặt ra: Vì sao số chỉ lực kế giảm khi hạ vật xuống? Trọng lượng nước tràn ra bằng bao nhiêu? Khi vật ngập sâu hơn, lực đẩy thay đổi thế nào? Lực đẩy phụ thuộc vào loại chất lỏng không?

Kết quả dự kiến trong Phiếu học tập số 1: ngoài không khí lực kế chỉ $2{,}7\ \mathrm{N}$; khi ngập hẳn lực kế chỉ $1{,}7\ \mathrm{N}$, do đó $F_A = 2{,}7 - 1{,}7 = 1\ \mathrm{N}$; cốc hứng nhận $100\ \mathrm{g}$ nước nặng $1\ \mathrm{N}$, bằng $F_A$. Kết luận HS rút ra: lực đẩy hướng lên, độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ; thể tích chiếm chỗ là thể tích phần vật chìm trong chất lỏng; khi ngập sâu thêm, $F_A$ không đổi; trong dầu ($d = 8\,000\ \mathrm{N/m}^3$) lực đẩy chỉ là $0{,}8\ \mathrm{N}$, nên lực đẩy phụ thuộc vào loại chất lỏng.

HS phát biểu được điều kiện nổi cân bằng và phân biệt được lực đẩy, thể tích chiếm chỗ, điều kiện nổi; nhận ra vật chìm vẫn chịu lực đẩy hướng lên.

Cặp đôi làm Phiếu học tập số 2. Phần A: quan sát mô phỏng khối gỗ $60\ \mathrm{cm}^3$ thả trong nước, tính $F_A$ khi vật chìm phần thể tích $60\ \mathrm{cm}^3$ và so sánh với $P = 0{,}6\ \mathrm{N}$; cho biết lực kế chỉ bao nhiêu. Phần B: ghép từng khái niệm với đặc điểm tương ứng (Lực đẩy; Thể tích chiếm chỗ; Điều kiện nổi cân bằng). Phần C: đánh giá nhận định "Chỉ vật nổi mới chịu lực đẩy của chất lỏng" là đúng hay sai và giải thích. GV hỏi: Khi nào vật nổi cân bằng? Vật chìm có chịu lực đẩy không, và lực đẩy hướng về đâu?

Phần A: $F_A = 10\,000 \times 0{,}00006 = 0{,}6\ \mathrm{N}$, bằng $P = 0{,}6\ \mathrm{N}$; lực kế chỉ $0$. Phần B: Lực đẩy – hướng lên, độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ; Thể tích chiếm chỗ – là thể tích phần vật chìm trong chất lỏng; Điều kiện nổi cân bằng – lực đẩy bằng trọng lượng khi không có lực đứng khác. Phần C: Sai. Vật chìm vẫn chịu lực đẩy hướng lên nhưng có thể nhỏ hơn trọng lượng nên không nổi. Kết luận HS rút ra: vật nổi cân bằng khi $F_A = P$.

HS nắm được cách trình bày bài tính lực đẩy: xác định dữ kiện, đổi đơn vị thể tích, áp dụng công thức và kết luận có đơn vị.

GV trình bày ví dụ: vật ngập chìm dời $100\ \mathrm{cm}^3$ nước, $D = 1000\ \mathrm{kg/m}^3$, $g \approx 10\ \mathrm{N/kg}$. Tính lực đẩy. Lưu ý: dùng thể tích phần ngập (phần chất lỏng bị chiếm chỗ). Hỏi HS: Vì sao phải đổi $100\ \mathrm{cm}^3$ sang $\mathrm{m}^3$? Nếu vật nổi một nửa thì thể tích nào được dùng trong công thức?

Lời giải mẫu ghi vào vở: $V = 100\ \mathrm{cm}^3 = 0{,}0001\ \mathrm{m}^3$; $F_A = D\cdot g\cdot V = 1000 \times 10 \times 0{,}0001 = 1\ \mathrm{N}$. Kết luận: lực đẩy có độ lớn $1\ \mathrm{N}$, hướng lên. Nếu vật nổi một nửa, dùng thể tích phần chìm trong nước làm $V$.

Củng cố khái niệm lực đẩy, thể tích chiếm chỗ, điều kiện nổi cân bằng; vận dụng công thức tính lực đẩy và đánh giá các nhận định đúng sai.

HS làm các câu hỏi sau (dùng bài tập trong bài học): (1) Trong bài này, lực đẩy có đặc điểm nào? A. luôn bằng trọng lượng toàn bộ vật; B. chỉ có khi vật nổi; C. hướng lên, độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ. (2) Trong bài này, thể tích chiếm chỗ có đặc điểm nào? A. là thể tích phần vật chìm trong chất lỏng; B. luôn là toàn bộ vật dù nổi một nửa; C. khối lượng của bình. (3) Nhận định "Chỉ vật nổi mới chịu lực đẩy của chất lỏng" đúng hay sai? (4) Vật ngập dời $100\ \mathrm{cm}^3$ nước, $D_{\text{nước}} = 1000\ \mathrm{kg/m}^3$, $g \approx 10\ \mathrm{N/kg}$. Tính lực đẩy.

Đáp án: (1) C. (2) A. (3) Sai, vì vật chìm vẫn chịu lực đẩy hướng lên nhưng có thể nhỏ hơn trọng lượng nên không nổi. (4) $F_A = D\cdot g\cdot V = 1000 \times 10 \times 0{,}0001 = 1\ \mathrm{N}$. Tiêu chí chấm: đúng dữ kiện và quan hệ khoa học 40%; lập luận đúng theo công thức 40%; kết luận có đơn vị và đúng điều kiện 20%.

Vận dụng điều kiện nổi cân bằng và khái niệm thể tích chiếm chỗ để giải thích hiện tượng tàu thép rỗng nổi trên mặt nước; nêu được điều kiện và hạn chế của lập luận.

Nhóm 4 HS thảo luận câu hỏi: Vì sao tàu thép rỗng có thể nổi dù thép đặc nặng riêng hơn nước? Gợi ý: so sánh thể tích nước bị tàu chiếm chỗ với khối lượng cả tàu; khi tàu nổi cân bằng, lực đẩy bằng trọng lượng; nước có tác dụng lực lên thép không? Nhiệm vụ về nhà: quan sát một đồ vật thực tế (chai nhựa rỗng, phao, thuyền giấy) và giải thích vì sao nổi hoặc chìm dựa trên lực đẩy.

Lập luận mẫu: Thân tàu rỗng chứa nhiều không khí nên thể tích phần chìm trong nước lớn, làm thể tích nước bị chiếm chỗ lớn so với khối lượng cả tàu. Khi tàu nổi cân bằng, $F_A = P$, lực đẩy của nước bằng trọng lượng của tàu. Không phải nước không tác dụng lên thép; nước vẫn đẩy tàu lên, chỉ là độ lớn lực đẩy đủ để cân bằng trọng lượng. Tiêu chí chấm: nêu đúng cơ chế 40%; áp dụng vào tình huống 40%; nêu điều kiện hoặc hạn chế 20%.