Lực đẩy Ác-si-mét là một trong những định luật ai cũng nghe, nhưng ít người tự đo. Trong sách, thí nghiệm thường cần lực kế và bình tràn. Ở nhà, một chiếc cân nhà bếp điện tử có độ chia một gam làm được việc đó gọn hơn, lại cho số liệu khá chính xác. Kèm theo là hai thí nghiệm định tính quen thuộc: trứng nổi trong nước muối và chiếc thuyền giấy bạc.
Bài dành cho học sinh lớp 8 trở lên và phụ huynh đi cùng. Bạn sẽ đo lực đẩy lên vài vật trong nhà, suy ra thể tích và khối lượng riêng của chúng, giải thích vì sao vật nổi hay chìm, và xem những lỗi nào làm số liệu lệch. Phần cuối là cách dùng AI kiểm phép đổi đơn vị, chỗ học sinh hay vấp nhất.
Lực đẩy Ác-si-mét nói gì
Một vật nhúng trong chất lỏng bị chất lỏng đẩy lên một lực có độ lớn bằng trọng lượng của phần chất lỏng mà vật chiếm chỗ. Viết bằng chữ: lực đẩy bằng trọng lượng riêng của chất lỏng nhân với thể tích phần vật chìm trong chất lỏng. Trọng lượng riêng của nước, theo cách làm tròn ở chương trình trung học cơ sở, khoảng 10 000 niu-tơn trên mét khối. Ở cấp ba, người ta viết lại thành khối lượng riêng của chất lỏng nhân gia tốc trọng trường nhân thể tích chìm.
Điều đáng chú ý là lực đẩy không phụ thuộc vào vật làm bằng gì, nặng hay nhẹ, mà chỉ phụ thuộc vào thể tích phần chìm và loại chất lỏng. Một viên đá và một khúc gỗ có cùng thể tích phần chìm trong nước thì chịu cùng một lực đẩy. Viên đá chìm vì trọng lượng của nó lớn hơn lực đẩy; khúc gỗ nổi vì trọng lượng của nó nhỏ hơn lực đẩy khi ngập hoàn toàn, nên nó nổi lên cho tới khi phần chìm vừa đủ để lực đẩy bằng trọng lượng.
Ví dụ tính: một vật có thể tích 50 cm³, tức 50 phần triệu mét khối, nhúng ngập trong nước. Lực đẩy bằng 10 000 nhân 0,00005, bằng 0,5 niu-tơn. Nếu dùng khối lượng riêng nước 1000 kg/m³ và g bằng 9,8 m/s² thì ra 0,49 niu-tơn. Hai kết quả chênh nhau chỉ vì cách làm tròn g.
Hai thí nghiệm định tính dưới đây cho thấy vai trò của loại chất lỏng và hình dạng vật. Thí nghiệm định lượng với cân nhà bếp cho thấy chính con số lực đẩy.
Thí nghiệm 1: trứng chìm, lơ lửng rồi nổi trong nước muối
Thí nghiệm này cho thấy cùng một vật, chất lỏng nặng hơn thì đẩy mạnh hơn. Dùng trứng gà sống, rửa tay sau khi làm.
- Rót nước máy vào một cốc trong, cao khoảng 15 cm. Thả nhẹ quả trứng vào bằng thìa. Trứng tươi thường chìm xuống đáy.
- Vớt trứng ra. Cho một thìa muối vào nước, khuấy tan, thả trứng lại. Quan sát.
- Lặp lại, mỗi lần thêm một thìa muối, ghi số thìa và vị trí trứng: nằm đáy, lơ lửng giữa cốc, hay nổi một phần trên mặt.
- Khi trứng đã nổi, rót nhẹ nước thường dọc theo thành cốc lên trên. Nếu rót đủ nhẹ, lớp nước nhạt nằm trên lớp nước muối, và trứng lơ lửng ở ranh giới hai lớp.
- Dùng cùng một quả trứng cho cả thí nghiệm, vì trứng để lâu có túi khí lớn hơn và có thể tự nổi trong nước thường.
Giải thích: hoà muối làm khối lượng riêng của nước tăng lên, nên cùng thể tích phần chìm, nước muối đẩy mạnh hơn. Khi lực đẩy lúc trứng ngập hoàn toàn vượt quá trọng lượng trứng, trứng nổi lên. Đổ nước muối đi sau khi làm, không tưới vào chậu cây.
Thí nghiệm 2: đo lực đẩy bằng cân nhà bếp
Cách đo này dựa trên một ý tinh tế: nước đẩy vật lên bao nhiêu thì vật đẩy ngược nước xuống bấy nhiêu, theo định luật III Newton. Lực đẩy xuống ấy truyền qua cốc tới mặt cân, nên số trên cân tăng đúng bằng lực đẩy, tính ra gam.
- Đặt cân trên mặt bàn phẳng, cứng. Đặt cốc nước khoảng hai phần ba lên cân, bấm nút trừ bì cho cân về số không.
- Buộc vật cần đo bằng một sợi chỉ mảnh. Vật phải chìm được trong nước, ví dụ một hòn đá cuội, một nắm ốc vít bọc trong túi lưới, một chìa khoá.
- Cầm đầu chỉ, từ từ nhúng vật vào nước cho tới khi ngập hoàn toàn. Vật không được chạm đáy hay thành cốc, và nước không được tràn ra ngoài.
- Đọc số trên cân khi nước đã yên, đó là m gam. Lực đẩy bằng m chia 1000 rồi nhân 9,8, tính ra niu-tơn.
- Vì một gam nước chiếm khoảng một xăng-ti-mét khối, nên con số m cũng chính là thể tích vật tính bằng xăng-ti-mét khối. Sau đó tháo vật, lau khô, đặt thẳng lên cân để biết khối lượng vật.
Có được khối lượng và thể tích, bạn tính được khối lượng riêng của vật bằng cách chia khối lượng cho thể tích. Đây là cách đo thể tích vật có hình dạng bất kỳ mà không cần bình chia độ, và cũng là ý tưởng mà giai thoại về Ác-si-mét và chiếc vương miện thường được kể để minh hoạ.
Bảng số liệu mẫu (ví dụ giả định)
Bảng dưới là ví dụ giả định về cách ghi số liệu cho ba vật. Số liệu thật của bạn sẽ khác tuỳ vật và cân, nhưng hãy giữ cách ghi đủ cột như thế này.
| Vật | Khối lượng vật (g) | Số tăng trên cân khi nhúng ngập (g) | Thể tích (cm³) | Lực đẩy (N) | Khối lượng riêng (g/cm³) |
|---|---|---|---|---|---|
| Hòn đá cuội | 54 | 20 | 20 | khoảng 0,20 | khoảng 2,7 |
| Nắm ốc vít thép trong túi lưới | 79 | 10 | 10 | khoảng 0,10 | khoảng 7,9 |
| Cục tẩy | 15 | 10 | 10 | khoảng 0,10 | khoảng 1,5 |
Cách tính dòng hòn đá: số tăng 20 g nghĩa là thể tích khoảng 20 cm³. Lực đẩy bằng 0,020 kg nhân 9,8, được 0,196, làm tròn khoảng 0,20 niu-tơn. Khối lượng riêng bằng 54 chia 20, bằng 2,7 g/cm³, nằm trong khoảng thường gặp của đá. Với ốc vít, 79 chia 10 được 7,9 g/cm³, gần với khối lượng riêng của thép.
Với vật nhỏ như ốc vít, số tăng chỉ khoảng 10 g, nên sai một gam đã là mười phần trăm. Nếu muốn chính xác hơn, dùng nhiều ốc hơn để số tăng lớn hơn. Túi lưới cũng chiếm một chút thể tích; muốn chặt chẽ thì đo riêng túi lưới rồi trừ đi.
Vì sao tàu thép nổi: thí nghiệm thuyền giấy bạc
Nếu thép có khối lượng riêng gần gấp tám lần nước, vì sao những con tàu thép khổng lồ vẫn nổi? Câu trả lời nằm ở thể tích chiếm chỗ. Thí nghiệm sau trả lời câu hỏi này bằng một tờ giấy bạc bọc thực phẩm.
Cắt hai miếng giấy bạc bằng nhau, cỡ một bàn tay. Vo một miếng thật chặt thành viên nhỏ, thả vào chậu nước: nó chìm hoặc gần chìm. Gấp miếng còn lại thành một chiếc thuyền đáy phẳng, thành cao chừng hai xăng-ti-mét, thả lên mặt nước: nó nổi. Hai miếng có cùng khối lượng, cùng vật liệu, chỉ khác hình dạng.
Giải thích: chiếc thuyền có lòng rỗng chứa không khí, nên khi đặt xuống nước, phần chiếm chỗ trong nước lớn hơn nhiều so với thể tích của chính lá nhôm. Lực đẩy tương ứng với thể tích chiếm chỗ đó đủ lớn để đỡ thuyền. Viên giấy bạc vo chặt chỉ chiếm chỗ đúng bằng thể tích nhôm cộng chút không khí kẹt bên trong, không đủ.
Biến thể có đo đạc: thả từng kẹp giấy vào thuyền cho tới khi thuyền chìm, ghi số kẹp. Thử với thuyền đáy rộng và thuyền đáy hẹp làm từ hai miếng giấy bạc bằng nhau. Thuyền nào chở được nhiều hơn, và vì sao? Đây là câu hỏi mở rất hợp để học sinh tự đặt giả thuyết, đo, và tranh luận với nhau, đồng thời là cách hiểu trực giác vì sao người ta làm thân tàu rộng.
Những lỗi làm số liệu lệch
Vật chạm đáy hoặc thành cốc. Khi đó một phần trọng lượng vật đè trực tiếp lên cân, số đọc tăng vọt. Luôn nhìn ngang cốc để chắc vật treo lơ lửng.
Bọt khí bám trên vật. Bọt khí nhỏ bám trên hòn đá hay ốc vít làm tăng thể tích chiếm chỗ, khiến lực đẩy đo được lớn hơn thật. Lắc nhẹ vật trong nước hoặc nhúng trước một lần rồi mới đo.
Dây quá to hoặc thấm nước. Dây len hay dây vải dày chiếm thêm thể tích khi chìm. Dùng chỉ may mảnh hoặc dây cước, và chỉ để phần dây sát vật chìm xuống.
Cân không về số không hoặc đặt lệch. Cân nhà bếp đặt trên khăn hay mặt bàn mềm thường đọc sai. Kiểm bằng cách đặt một vật đã biết khối lượng, ví dụ một bịch đồ có in khối lượng, xem số có hợp lý không.
Nhầm đơn vị. Lỗi phổ biến nhất khi tính: quên đổi gam sang ki-lô-gam, hoặc xăng-ti-mét khối sang mét khối. Một xăng-ti-mét khối bằng một phần triệu mét khối, không phải một phần nghìn.
Dùng AI để kiểm phép đổi đơn vị và lập luận
Phần học sinh vấp nhiều nhất ở bài này không phải là thí nghiệm mà là đổi đơn vị. AI giúp được ở đây, với điều kiện bạn đưa phép tính của mình ra trước. Câu lệnh mẫu: "Em đo số tăng trên cân là 20 gam khi nhúng hòn đá. Em tính lực đẩy là 20 nhân 9,8 bằng 196 niu-tơn. Đừng sửa ngay, hãy hỏi em đơn vị của từng con số để em tự thấy chỗ sai." Trong ví dụ này, lỗi là chưa đổi gam sang ki-lô-gam.
Câu lệnh để hiểu sâu hơn: "Giải thích cho học sinh lớp 8 vì sao số trên cân tăng lên khi em nhúng vật treo bằng dây vào cốc nước, dù vật không chạm cốc. Dùng định luật III Newton, nói ngắn." Đây là chỗ nhiều học sinh thấy khó tin, và tự giải thích lại bằng lời của mình sau khi đọc là cách học tốt.
Khi AI đưa ra khối lượng riêng của các chất để bạn đối chiếu, hãy so lại với bảng trong sách giáo khoa. Các giá trị này thay đổi theo loại vật liệu cụ thể, ví dụ đá có nhiều loại, nên một khoảng giá trị đáng tin hơn một con số duy nhất. Không cần gửi ảnh có người, tên trường hay thông tin cá nhân; mô tả vật và số đo bằng chữ là đủ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao số trên cân tăng khi nhúng vật treo bằng dây vào cốc nước?
Nước đẩy vật lên một lực, gọi là lực đẩy Ác-si-mét. Theo định luật III Newton, vật cũng đẩy nước xuống một lực bằng như vậy. Lực này truyền qua đáy cốc xuống cân, nên số đọc tăng đúng bằng lực đẩy, quy ra gam.
Làm sao biết thể tích một hòn đá không đều bằng cân nhà bếp?
Đặt cốc nước lên cân, trừ bì về không, nhúng ngập hòn đá treo bằng chỉ mà không chạm cốc. Số gam tăng thêm xấp xỉ bằng thể tích hòn đá tính bằng xăng-ti-mét khối, vì mỗi gam nước chiếm khoảng một xăng-ti-mét khối.
Vì sao trứng nổi trong nước muối mà chìm trong nước thường?
Nước muối có khối lượng riêng lớn hơn nước thường, nên với cùng thể tích chìm, lực đẩy lớn hơn. Khi đủ muối, lực đẩy lúc trứng ngập hoàn toàn vượt trọng lượng trứng và trứng nổi lên một phần trên mặt nước.
Lực đẩy Ác-si-mét có phụ thuộc vào vật nặng hay nhẹ không?
Không. Lực đẩy chỉ phụ thuộc thể tích phần vật chìm và loại chất lỏng. Vật nặng hay nhẹ quyết định việc vật nổi hay chìm, vì phải so trọng lượng của vật với lực đẩy, nhưng không làm lực đẩy thay đổi.
Tàu làm bằng thép nặng như vậy sao vẫn nổi được?
Thân tàu rỗng, chứa nhiều không khí, nên phần thể tích chiếm chỗ trong nước rất lớn so với khối thép. Lực đẩy tương ứng đủ đỡ cả con tàu. Thí nghiệm thuyền giấy bạc so với viên giấy bạc vo chặt cho thấy rõ điều này.
Cân nhà bếp có đủ chính xác cho thí nghiệm này không?
Với cân có độ chia một gam và vật có thể tích từ vài chục xăng-ti-mét khối trở lên, kết quả khá tốt. Với vật nhỏ, sai một gam là sai tỉ lệ lớn, nên hãy gom nhiều vật giống nhau để đo cùng lúc.