Giải SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34: Khối lượng riêng. Áp suất chất lỏng

Khởi động

Câu hỏi khởi động SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 131): Khối lượng riêng của một chất lỏng và áp suất của chất lỏng có mối quan hệ như thế nào?

Trả lời:

Áp suất của chất lỏng được tính bằng công thức: p = pa + ρ.g.h

Trong đó:

+ p là áp suất chất lỏng (N/m²).

+ pa là áp suất khí quyển (N/m²).

+ ρ là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³).

+ g là gia tốc trọng trường (m/s²).

I. Khối lượng riêng

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 131): Tại sao khối lượng riêng của một chất lại phụ thuộc vào nhiệt độ?

Trả lời:

- Khối lượng riêng được tính bằng thương số giữa khối lượng và thể tích.

- Thể tích tăng khi nhiệt độ tăng và ngược lại.

- Khối lượng luôn không thay đổi.

=> Do đó, khối lượng riêng của một chất phụ thuộc vào nhiệt độ.

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 131): Một hợp kim đồng và bạc có khối lượng riêng là 10,3 g/cm³. Tính khối lượng của bạc và đồng có trong 100 g hợp kim. Biết khối lượng riêng của đồng là 8,9 g/cm³, của bạc là 10,4 g/cm³.

Trả lời:

Gọi m₁, V₁, ρ₁ lần lượt là khối lượng, thể tích, khối lượng riêng của bạc.

m₂, V₂, ρ₂ lần lượt là khối lượng, thể tích, khối lượng riêng của đồng.

- Thể tích của khối hợp kim là: $\rho =\frac{m}{V}=>V=\frac{m}{\rho }=\frac{100}{10,3}=\frac{1000}{103}cm^{3}$

- Thể tích của khối hợp kim bằng thể tích của bạc và đồng có trong hợp kim.

Ta có: $V=V_{1}+V_{2}\Leftrightarrow V=\frac{m_{1}}{\rho _{1}}+\frac{m_{2}}{\rho _{2}}$ với m = m₁ + m₂ = 100g

$\Leftrightarrow \frac{1000}{103}=\frac{m_{1}}{10,4}+\frac{100-m_{1}}{8,9}$

=> m₁ ≈ 94,24g

=> m₂ ≈ 5,76g

II. Áp lực và áp suất

1. Áp lực

Câu hỏi SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Hãy dựa vào thí nghiệm vẽ ở Hình 34.2, cho biết độ mạnh của áp lực phụ thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào.

Trả lời:

- Độ mạnh của áp lực phụ thuộc vào khối lượng và diện tích bề mặt tiếp xúc

+ Từ hình (1) và hình (3) ta thấy: 2 vật có cùng khối lượng

=> Diện tích bề mặt tiếp xúc càng lớn thì áp lực càng nhỏ và ngược lại.

+ Từ hình (1) và hình (2) ta thấy: 2 vật có cùng diện tích bề mặt tiếp xúc

=> Khối lượng càng lớn thì áp lực càng lớn và ngược lại.

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Trong Hình 34.3, lực nào sau đây là lực đàn hồi, lực ma sát, áp lực?

a) Lực của chân em bé tác dụng lên sàn nhà.

b) Lực của tay em bé kéo hộp đồ chơi.

c) Lực của hộp đồ chơi tác dụng lên sàn nhà.

Trả lời:

a) Chân em bé tác dụng lên sàn nhà một lực là áp lực.

b) Tay em bé kéo hộp đồ chơi làm dây căng ra xuất hiện lực đàn hồi.

c) Hộp đồ chơi có bánh xe đang lăn trên sàn nhà xuất hiện lực ma sát giữa bề mặt tiếp xúc của bánh xe và sàn nhà.

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Chứng minh rằng áp lực của cuốn sách tác dụng lên mặt bàn nằm nghiêng một góc α (Hình 34.4) có độ lớn là: F_N = P.cosα

Trả lời:

- Từ việc phân tích hình ta thấy: F_N = P.cosα

2. Áp suất

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Tại sao xe tăng nặng hơn ô tô nhiều lần lại có thể chạy bình thường trên đất bùn (Hình 34.5a), còn ô tô bị lún bánh và sa lầy trên chính quãng đường này (Hình 34.5b)?

Trả lời:

Trên cùng một quãng đường, xe tăng nặng hơn ô tô nhiều lần lại có thể chạy bình thường trên đất bùn là do xe tăng dùng xích có bản rộng (diện tích bị ép lớn) nên áp suất gây ra bởi trọng lượng của xe tăng nhỏ. Còn ô tô bị lún bánh và sa lầy là do ô tô chạy bằng bánh có diện tích bị ép nhỏ nên áp suất gây ra bởi trọng lượng của ô tô lớn hơn.

Vì vậy, khi trên cùng một quãng đường, xe tăng nặng hơn ô tô nhiều lần vẫn có thể chạy bình thường trên đất bùn còn ô tô thì bị lún bánh và sa lầy.

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Trong hai chiếc xẻng vẽ ở Hình 34.6, xẻng nào dùng để xén đất tốt hơn, xẻng nào dùng để xúc đất tốt hơn. Tại sao?

Trả lời:

Trong hình 34.6, ta thấy diện tích tiếp xúc của xẻng A lớn hơn diện tích tiếp xúc của xẻng B nên áp suất của xẻng A nhỏ hơn áp suất của xẻng B, vì vậy xẻng A nên dùng để xén đất còn xẻng B dùng để xúc đất.

Câu hỏi 3 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 132): Một người nặng 50 kg đứng trên mặt đất nằm ngang. Biết diện tích tiếp xúc của mỗi bàn chân với đất là 0,015 m². Tính áp suất người đó tác dụng lên mặt đất khi:

a) Đứng cả hai chân.

b) Đứng một chân.

Trả lời:

a) Áp suất người đó tác dụng lên mặt đất khi đứng cả hai chân là:

$p=\frac{F_{N}}{S}=\frac{P}{S}=\frac{m.g}{S}=\frac{50.9,8}{2.0,015}\approx 16333N/m^{2}$

b) Áp suất người đó tác dụng lên mặt đất khi đứng một chân là:

$p=\frac{F_{N}}{S'}=\frac{P}{S'}=\frac{m.g}{S'}=\frac{50.9,8}{0,015}\approx 32667N/m^{2}$

III. Áp suất chất lỏng

1. Sự tồn tại áp suất của chất lỏng

Hoạt động mục 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 133): Hãy dựa vào thí nghiệm với một bình cầu có các lỗ nhỏ ở thành bình trong các Hình 34.7a và 34.7b để nói về sự tồn tại áp suất của chất lỏng và đặc điểm của áp suất này so với áp suất của vật rắn.

Trả lời:

Chất lỏng gây áp suất theo mọi phương lên đáy bình, thành bình và các vật trong lòng nó

Sự khác biệt giữa áp suất chất lỏng và áp suất của vật rắn: áp suất của chất lỏng xảy ra do cả trọng lượng và chuyển động của các phân tử chất lỏng, trong khi đó áp suất của vật rắn chỉ xảy ra do trọng lượng của chất rắn.

2. Công thức tính áp suất chất lỏng

Câu hỏi SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 133): Một khối chất lỏng đứng yên có khối lượng riêng , hình trụ diện tích đáy S, chiều cao h (Hình 34.8). Hãy dùng công thức tính áp suất ở trên để chứng minh rằng áp suất của khối chất lỏng trên tác dụng lên đáy bình có độ lớn là p = ρ.g.h

Trong đó:

p là áp suất của chất lỏng tác dụng lên đáy bình;

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng;

g là gia tốc trọng trường;

h là chiều cao của cột chất lỏng, cũng là độ sâu của chất lỏng so với mặt thoáng.

Trả lời:

Ta có: $p=\frac{F_{N}}{S}=\frac{m.g}{S}=\frac{\rho .V.g}{S}=\rho .h.g$ (đpcm)

Câu hỏi SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Một khối hình lập phương có cạnh 0,30 m, chìm 2/3 trong nước. Biết khối lượng riêng của nước là 1 000 kg/m³ . Tính áp suất của nước tác dụng lên mặt dưới của khối lập phương và xác định phương, chiều, cường độ của lực gây ra bởi áp suất này

Trả lời:

Do khối lập phương chìm 2/3 trong nước nên h = 2/3.0,3 = 0,2 m

Áp suất của nước tác dụng lên mặt dưới của khối lập phương là:

p = ρ.g.h = 1 000.10.0,2 = 2000 (Pa)

Lực gây ra bởi áp suất này lực đẩy Ác-si-mét

+ Phương: thẳng đứng

+ Chiều: từ dưới lên trên

+ Độ lớn: F_A = ρ.g.V

Thể tích khối lập phương bị nước chiếm chỗ là:

V = chiều dài.chiều rộng.chiều cao = 0,3.0,3.2/3.0,3 = 0,018 (m³ )

=> F_A = ρ.g.V = 1000.10.0,018 = 180 (N)

Hoạt động mục 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Hãy tìm cách dựa vào các dụng cụ thí nghiệm vẽ ở Hình 34.9 để nghiệm lại công thức tính áp suất của chất lỏng: p = ρ.g.h.

Trả lời:

- Sử dụng ống thủy tinh (bán kính xác định để tính diện tích đáy của ống), sợi dây và đĩa nhựa tròn (có bán kính gần bằng bán kính ống thủy tinh) như hình vẽ thứ nhất.

- Đổ chất lỏng vào bình chia độ, ghi lại thể tích chất lỏng ban đầu là V₁.

- Thả hệ vào bình chia độ như ở hình thứ hai.

- Ghi lại phần thể tích nước khi đó là V₂, tính được thể tích phần nước dâng lên chính là thể tích vật chiếm chỗ có giá trị V = V₂ – V₁.

- Ghi lại chiều cao h của phần ống hình trụ chìm trong nước

- Tính được lực đẩy Acsimet tác dụng lên đĩa nhựa tròn theo công thức: F_A = ρ.g.V

- Tính áp suất chất lỏng ở phần dưới đĩa nhựa tròn theo công thức: $p=\frac{F_{A}}{S}$

- Nghiệm lại với công thức: p = ρ.g.h thấy kết quả trùng nhau.

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Tính độ chênh lệch áp suất của nước giữa 2 điểm thuộc 2 mặt phẳng nằm ngang cách nhau 20 cm.

Trả lời:

Đổi 20 cm = 0,2 m

Khối lượng riêng của nước là 1000 kg/m³, lấy g = 9,8 m/s².

Độ chênh lệch áp suất của nước giữa 2 điểm thuộc 2 mặt phẳng nằm ngang cách nhau 20 cm là:

∆p = ρ.g.∆h = 1000.9,8.0,2 = 1960 N/m²

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Hãy dùng phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên để chứng minh rằng áp suất ở các điểm nằm trên cùng mặt phẳng nằm ngang trong chất lỏng thì bằng nhau.

Trả lời:

* Cách chứng minh thứ nhất:

- Trong chất lỏng, các điểm nằm trên cùng một mặt phẳng nằm ngang thì đều có cùng một độ cao h,

- Do khối lượng riêng đều là của chất lỏng => áp suất ở các điểm nằm trên cùng mặt phẳng nằm ngang trong chất lỏng bằng nhau.

* Cách chứng minh thứ hai:

- Phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên: ∆p = ρ.g.∆h

- Các điểm nằm trên cùng một mặt phẳng nằm ngang trong chất lỏng thì đều có cùng một độ cao h => ∆h = 0 => ∆p = 0

=> Áp suất ở các điểm nằm trên cùng mặt phẳng nằm ngang trong chất lỏng thì bằng nhau.

Câu hỏi 3 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Hãy dùng phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên để chứng minh định luật Archemedes đã học ở lớp 8 cho trường hợp vật hình hộp chữ nhật có chiều cao h, làm bằng vật liệu có khối lượng riêng ρ.

Trả lời:

* Cách chứng minh thứ nhất:

Dựa vào biểu thức tính khối lượng riêng: $\rho =\frac{m}{V}$

Thể tích của hình hộp chữ nhật: V = S.h

Ta có:

$\Delta p=\rho .g.\Delta h\Leftrightarrow \frac{F}{S}=\rho .g.\Delta h$

⇔ F=ρ.g.S.Δh

⇔ F=ρ.g.V

=> đpcm

* Cách chứng minh thứ hai:

Phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên: ∆p = ρ.g.∆h

⇔ $\frac{F}{S}$ = ρ.g.∆h

⇔ F = ρ.g.∆h.S

⇔ F = ρ.g.V (đpcm)

3. Phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên

Hoạt động trải nghiệm SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 34 (trang 134): Hãy dùng các dụng cụ sau đây:

- Một lực kế.

- Một quả nặng hình trụ có móc treo.

- Một bình chia độ đựng nước.

Thiết kế phương án thí nghiệm minh họa cho phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên.

* Phương án thí nghiệm:

- Giá treo có thể điều chỉnh được độ cao.

- Gắn lực kế thẳng đứng trên một móc treo nằm ngang.

- Thực hiện như hình vẽ: Treo quả nặng vào đầu dưới của lực kế sau đặt hệ lực kế và vật và bình chia độ

- Ghi số chỉ của lực kế và độ sâu h (so với mặt thoáng chất lỏng) sau khi đã đổ nước vào bình chia độ sao cho quả nặng chìm hoàn toàn trong nước ở một độ sâu h nào đó. 

- Tiếp tục đọc số chỉ của lực kế và đo độ sâu h’ sau khi nâng giá treo lên một khoảng.

- Sử dụng phương trình cơ bản của chất lưu đứng yên để nghiệm lại.