SciSimulator
Quay lại thí nghiệm

Nguyên lý Archimedes Hướng dẫn

Vật lýTrung cấpThời gian đọc: 4 phút

Tổng quan

Tại sao một con tàu thép khổng lồ nổi trên đại dương trong khi một viên sỏi nhỏ chìm xuống đáy? Hơn 2.000 năm trước, Archimedes đã phát hiện ra bí mật của sự chiếm chỗ và lực đẩy trong bồn tắm. Trong thí nghiệm này, bạn sẽ sử dụng 'Phương pháp Cân' để xác minh Nguyên lý Archimedes và khám phá các yếu tố cốt lõi xác định lực đẩy: Đó là mật độ chất lỏng? Thể tích bị chiếm chỗ? Hay độ sâu ngâm?

Bối cảnh

Có một truyền thuyết nổi tiếng về việc khám phá ra Nguyên lý Archimedes. Vua Syracuse yêu cầu một thợ kim hoàn làm một chiếc vương miện bằng vàng nguyên chất, nhưng ông nghi ngờ người thợ kim hoàn đã trộn vào một ít bạc. Archimedes suy ngẫm về vấn đề này cho đến một ngày, khi đang tắm, ông nhận thấy nước tràn ra khỏi bồn tắm. Ông nhận ra mối quan hệ giữa thể tích và sự chiếm chỗ, và phấn khích chạy ra đường trong tình trạng khỏa thân và hét lên 'Eureka!' (Tôi tìm thấy rồi!). Ông đã sử dụng phương pháp chiếm chỗ nước để đo thể tích của chiếc vương miện không đều và xác định độ thật của nó. Mặc dù câu chuyện này có thể là hư cấu, nhưng nó chứng minh sinh động rằng những khám phá khoa học thường bắt nguồn từ sự quan sát nhạy bén các chi tiết hàng ngày.

Khái niệm chính

Lực đẩy (Buoyancy, FbuoyF_{buoy})

Lực hướng lên do chất lưu (chất lỏng hoặc khí) tác dụng lên một vật thể chìm trong nó. Hướng luôn thẳng đứng lên trên.

Phương pháp Cân

Fbuoy=G−FpullF_{buoy} = G - F_{pull}

Một phương pháp để đo lực đẩy bằng cách đo trọng lượng của vật thể trong không khí và sau đó trong chất lỏng. Sự chênh lệch giữa hai giá trị là lực đẩy.

Nguyên lý Archimedes

Fbuoy=GdisplacedF_{buoy} = G_{displaced}

Lực đẩy tác dụng lên một vật thể chìm trong chất lưu bằng trọng lượng của chất lưu mà vật thể đó chiếm chỗ.

Công thức và diễn giải

Công thức Nguyên lý Archimedes

Fbuoy=ρliquidgVdisplacedF_{\text{buoy}} = \rho_{\text{liquid}} g V_{\text{displaced}}
Độ lớn của lực đẩy chỉ được xác định bởi mật độ của chất lỏng ρliquid\rho_{\text{liquid}} và thể tích của chất lưu bị vật thể chiếm chỗ VdisplacedV_{\text{displaced}}, và không phụ thuộc vào mật độ của chính vật thể đó.

Các bước thí nghiệm

  1. 1

    Đo Trọng lượng trong Không khí (GG)

    Quan sát chỉ số của lực kế lò xo khi khối kim loại không chạm vào bề mặt chất lỏng. Ghi lại trọng lượng của khối kim loại GG.
  2. 2

    Khám phá Thể tích bị Chiếm chỗ (VdisplacedV_{displaced})

    Kéo từ từ giá đỡ xuống dưới. Quan sát cách chỉ số lực kế thay đổi khi khối kim loại đi từ chạm vào mặt nước đến khi chìm hoàn toàn. Điều này cho thấy gì về mối quan hệ giữa lực đẩy và thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ?
  3. 3

    Khám phá Độ sâu Ngâm (hh)

    Sau khi vật thể đã chìm hoàn toàn, tiếp tục kéo nó xuống dưới một khoảng cách nhất định. Chú ý xem chỉ số lực kế có thay đổi không. Điều này có bác bỏ trực giác sai lầm rằng 'lực đẩy tăng theo độ sâu' không?
  4. 4

    Khám phá Mật độ Chất lỏng (ρliquid\rho_{liquid})

    Giữ nguyên độ sâu và chuyển chất lỏng sang 'Nước muối' (nước muối đậm đặc). Bạn sẽ thấy chỉ số lực kế giảm. Điều này có nghĩa là lực đẩy đã tăng hay giảm? 'Mật độ' của môi trường ảnh hưởng đến lực đẩy như thế nào?

Mục tiêu học tập

  • Xác nhận rằng lực đẩy tỷ lệ thuận với VdisplacedV_{\text{displaced}} và ρliquid\rho_{\text{liquid}}.
  • Nắm vững kỹ năng thực nghiệm tính toán lực đẩy bằng 'Phương pháp Cân'.
  • Sửa chữa quan niệm sai lầm theo trực giác rằng 'lực đẩy tăng khi vật thể đi vào sâu hơn'.
  • Hiểu sâu sắc ý nghĩa vật lý cụ thể của Nguyên lý Archimedes.

Ứng dụng thực tế

  • Kỹ thuật Tàu thủy: Tạo ra sự chiếm chỗ lớn bằng cách tăng thể tích phần rỗng của thân tàu để tạo ra đủ lực đẩy để nâng một con tàu 10.000 tấn.
  • Tàu ngầm: Thay đổi trọng lượng của chính nó bằng cách lấy vào và xả nước trong các két dằn để đạt được việc nổi lên hoặc lặn xuống (trong khi lực đẩy về cơ bản vẫn không đổi).
  • Khinh khí cầu: Làm nóng không khí bên trong khí cầu để giảm mật độ của nó, sử dụng lực đẩy do không khí lạnh xung quanh tạo ra để bay lên.
  • Tỷ trọng kế: Sử dụng nguyên lý nổi để đo mật độ của các chất lỏng khác nhau.

Sự hiểu lầm phổ biến

Sai
Vật thể càng chìm sâu trong chất lỏng, lực đẩy nó nhận được càng lớn.
Đúng
Sai. Trước khi chìm hoàn toàn, lực đẩy chắc chắn tăng theo độ sâu (vì VdisplacedV_{\text{displaced}} đang tăng); nhưng sau khi chìm hoàn toàn, vì VdisplacedV_{\text{displaced}} không thay đổi nữa, lực đẩy vẫn không đổi.
Sai
Vật thể nặng hơn phải nhận được lực đẩy lớn hơn vật thể nhẹ hơn.
Đúng
Sai. Lực đẩy chỉ liên quan đến 'thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ', và không có mối quan hệ trực tiếp nào với khối lượng, mật độ hoặc hình dạng của vật thể. Một khối sắt nặng hơn một khối gỗ, nhưng nếu thể tích của chúng bằng nhau, lực đẩy chúng nhận được khi chìm hoàn toàn là như nhau.

Đọc thêm

Sẵn sàng bắt đầu?

Bây giờ bạn đã nắm được kiến thức cơ bản, hãy bắt đầu thí nghiệm tương tác!

Bắt đầu thí nghiệmBắt đầu trắc nghiệm