Bài học

Vật chìm, vật nổi: so sánh khối lượng riêng của vật và chất lỏng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em so sánh được khối lượng riêng của một vật với khối lượng riêng của chất lỏng để dự đoán vật đó nổi hay chìm khi thả chìm hoàn toàn, và giải thích được vì sao những vật rất nặng như tàu thuỷ vẫn nổi được trên mặt nước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em dùng D để nhận biết chất liệu. Bài học Đo vật rỗng (Chương 2) cho thấy một vật rỗng có D trung bình nhỏ hơn D của chất đặc làm vỏ. Hai kiến thức đó ghép lại sẽ giải thích được một hiện tượng quen thuộc: vì sao một con tàu bằng thép nặng hàng nghìn tấn vẫn nổi trên mặt nước, trong khi một chiếc đinh thép nhỏ xíu lại chìm nghỉm.

Khởi động

Một chiếc đinh sắt nặng vài gam chìm ngay khi thả xuống nước. Một con tàu chở hàng bằng thép nặng hàng chục nghìn tấn lại nổi bồng bềnh. Cùng là thép, vì sao kết quả lại trái ngược nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Khi một vật được thả chìm hoàn toàn vào chất lỏng, việc vật nổi lên hay tiếp tục chìm xuống phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật so với khối lượng riêng của chất lỏng đó, chứ KHÔNG phụ thuộc vào khối lượng tuyệt đối của vật. Quy tắc so sánh: nếu $D_{vật} > D_{lỏng}$ , vật chìm xuống đáy; nếu $D_{vật} < D_{lỏng}$ , vật nổi lên mặt; nếu $D_{vật} = D_{lỏng}$ , vật lơ lửng trong lòng chất lỏng.

Khi một vật được thả chìm hoàn toàn vào chất lỏng, việc vật nổi lên hay tiếp tục chìm xuống phụ thuộc vào khối lượng riêng của vật so với khối lượng riêng của chất lỏng đó, chứ KHÔNG phụ thuộc vào khối lượng tuyệt đối của vật. Quy tắc so sánh: nếu $D_{vật} > D_{lỏng}$, vật chìm xuống đáy; nếu $D_{vật} < D_{lỏng}$, vật nổi lên mặt; nếu $D_{vật} = D_{lỏng}$, vật lơ lửng trong lòng chất lỏng.

Đây là lý do một chiếc đinh sắt đặc ( $D ≈ 7800$ kg/m³, lớn hơn nước 1000 kg/m³) luôn chìm. Nhưng một con tàu không phải là một khối thép đặc — vỏ tàu rất mỏng so với khoang rỗng bên trong chứa đầy không khí, giống hệt hộp kim loại rỗng ở bài trước. Nếu tính D trung bình của CẢ con tàu (kể cả khoang rỗng chở hàng), giá trị đó có thể nhỏ hơn D của nước rất nhiều — nên tàu nổi được, dù khối lượng thép làm vỏ tàu vẫn rất lớn.

Đây là lý do một chiếc đinh sắt đặc ($D ≈ 7800$ kg/m³, lớn hơn nước 1000 kg/m³) luôn chìm. Nhưng một con tàu không phải là một khối thép đặc — vỏ tàu rất mỏng so với khoang rỗng bên trong chứa đầy không khí, giống hệt hộp kim loại rỗng ở bài trước. Nếu tính D trung bình của CẢ con tàu (kể cả khoang rỗng chở hàng), giá trị đó có thể nhỏ hơn D của nước rất nhiều — nên tàu nổi được, dù khối lượng thép làm vỏ tàu vẫn rất lớn.

Trường hợp lơ lửng ( $D_{vật}=D_{lỏng}$ ) hiếm gặp hơn nhưng vẫn có ví dụ quen thuộc: một quả trứng tươi thả vào nước lã sẽ chìm, nhưng nếu hoà thêm muối vào nước tới một nồng độ nhất định, D của nước muối tăng dần cho tới khi bằng đúng D của quả trứng — lúc đó trứng lơ lửng giữa lòng nước, không chìm hẳn cũng không nổi hẳn lên mặt.

Trường hợp lơ lửng ($D_{vật}=D_{lỏng}$) hiếm gặp hơn nhưng vẫn có ví dụ quen thuộc: một quả trứng tươi thả vào nước lã sẽ chìm, nhưng nếu hoà thêm muối vào nước tới một nồng độ nhất định, D của nước muối tăng dần cho tới khi bằng đúng D của quả trứng — lúc đó trứng lơ lửng giữa lòng nước, không chìm hẳn cũng không nổi hẳn lên mặt.

D của vật (900) nhỏ hơn D của nước (1000) nên vật nổi trong nước, nhưng lớn hơn D của dầu ăn (800) nên vật lại chìm trong dầu ăn.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

So sánh D để dự đoán nổi, chìm

1
Thả một khối sắt đặc và một khối gỗ, mỗi khối đều chìm hoàn toàn lúc thả, vào một chậu nước. Biết $D_{sắt} = 7800\ kg/m^3$ , $D_{gỗ} ≈ 600\ kg/m^3$ , $D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ . Dự đoán trạng thái cuối cùng của mỗi khối.
Thả một khối sắt đặc và một khối gỗ, mỗi khối đều chìm hoàn toàn lúc thả, vào một chậu nước. Biết $D_{sắt} = 7800\ kg/m^3$, $D_{gỗ} ≈ 600\ kg/m^3$, $D_{nước} = 1000\ kg/m^3$. Dự đoán trạng thái cuối cùng của mỗi khối.
2
Ta có $D_{sắt} = 7800\ kg/m^3 > D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ .
Ta có $D_{sắt} = 7800\ kg/m^3 > D_{nước} = 1000\ kg/m^3$.
3
Ta có $D_{gỗ} ≈ 600\ kg/m^3 < D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ .
Ta có $D_{gỗ} ≈ 600\ kg/m^3 < D_{nước} = 1000\ kg/m^3$.
4
Vì $D_{sắt} > D_{nước}$ , khối sắt chìm xuống đáy chậu. Vì $D_{gỗ} < D_{nước}$ , khối gỗ nổi lên mặt nước dù ban đầu bị ấn chìm. Vậy: kết quả không phụ thuộc khối lượng tuyệt đối của từng khối, mà phụ thuộc vào việc D của vật lớn hơn hay nhỏ hơn D của nước.
Vì $D_{sắt} > D_{nước}$, khối sắt chìm xuống đáy chậu. Vì $D_{gỗ} < D_{nước}$, khối gỗ nổi lên mặt nước dù ban đầu bị ấn chìm. Vậy: kết quả không phụ thuộc khối lượng tuyệt đối của từng khối, mà phụ thuộc vào việc D của vật lớn hơn hay nhỏ hơn D của nước.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Giải thích vì sao vỏ tàu bằng thép vẫn nổi được

1
Một khoang tàu bằng thép, tính cả phần rỗng chở hàng bên trong, có thể tích ngoài 1000 m³ và tổng khối lượng (thép vỏ cộng hàng hoá) là 700 000 kg. Biết $D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ và $D_{thép đặc} = 7800\ kg/m^3$ . Giải thích vì sao khoang tàu này vẫn nổi được trên mặt nước dù làm bằng thép.
Một khoang tàu bằng thép, tính cả phần rỗng chở hàng bên trong, có thể tích ngoài 1000 m³ và tổng khối lượng (thép vỏ cộng hàng hoá) là 700 000 kg. Biết $D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ và $D_{thép đặc} = 7800\ kg/m^3$. Giải thích vì sao khoang tàu này vẫn nổi được trên mặt nước dù làm bằng thép.
2
Áp dụng công thức: $D_{tb} = \dfrac{m}{V} = \dfrac{700\,000}{1000} = 700\ kg/m^3$ .
Áp dụng công thức: $D_{tb} = \dfrac{m}{V} = \dfrac{700\,000}{1000} = 700\ kg/m^3$.
3
Ta có $D_{tb} = 700\ kg/m^3 < D_{nước} = 1000\ kg/m^3$ .
Ta có $D_{tb} = 700\ kg/m^3 < D_{nước} = 1000\ kg/m^3$.
4
Vì $D_{tb} < D_{nước}$ , khoang tàu nổi được trên mặt nước, dù chất liệu vỏ là thép có $D_{thép đặc} = 7800\ kg/m^3$ lớn hơn nước rất nhiều. Bí quyết nằm ở khoang rỗng: phần không gian chứa không khí bên trong làm giảm mạnh khối lượng riêng trung bình của cả con tàu, y hệt nguyên lý của hộp kim loại rỗng đã học ở Chương 2. Nếu khoang tàu bị thủng, nước tràn vào thay chỗ không khí, D trung bình tăng lên — đó chính là lúc tàu bắt đầu chìm.
Vì $D_{tb} < D_{nước}$, khoang tàu nổi được trên mặt nước, dù chất liệu vỏ là thép có $D_{thép đặc} = 7800\ kg/m^3$ lớn hơn nước rất nhiều. Bí quyết nằm ở khoang rỗng: phần không gian chứa không khí bên trong làm giảm mạnh khối lượng riêng trung bình của cả con tàu, y hệt nguyên lý của hộp kim loại rỗng đã học ở Chương 2. Nếu khoang tàu bị thủng, nước tràn vào thay chỗ không khí, D trung bình tăng lên — đó chính là lúc tàu bắt đầu chìm.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là nghĩ "vật nặng thì chìm, vật nhẹ thì nổi" — dựa theo khối lượng tuyệt đối chứ không phải khối lượng riêng. Một con tàu nặng hàng chục nghìn tấn vẫn nổi, còn một viên bi sắt vài gam vẫn chìm. Quy tắc đúng luôn phải so sánh D của vật với D của chất lỏng, không so sánh khối lượng đơn thuần.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Vật nổi hay chìm phụ thuộc vào việc so sánh $D_{vật}$ với $D_{chất lỏng}$ , không phụ thuộc khối lượng tuyệt đối. Vật rỗng (như vỏ tàu) có D trung bình nhỏ hơn D của chất đặc làm vỏ, đó là lý do những vật rất nặng vẫn có thể nổi được.

Vật nổi hay chìm phụ thuộc vào việc so sánh $D_{vật}$ với $D_{chất lỏng}$, không phụ thuộc khối lượng tuyệt đối. Vật rỗng (như vỏ tàu) có D trung bình nhỏ hơn D của chất đặc làm vỏ, đó là lý do những vật rất nặng vẫn có thể nổi được.

Cầu nối

Chương này đã dùng D để nhận biết chất liệu và dự đoán nổi/chìm. Chương tiếp theo đưa khối lượng riêng vào các bài toán thực tế phức tạp hơn: đổi đơn vị trong tình huống đời sống, và tính D khi hai chất lỏng được trộn lẫn với nhau.