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

Giải Vật Lí 10 Bài 34: Khối lượng riêng. Áp suất chất lỏng

Khởi động trang 131 Vật Lí 10: Khối lượng riêng của một chất lỏng và áp suất của chất lỏng có mối quan hệ như thế nào?

Lời giải:

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

Trong đó:

+ p là áp suất chất lỏng (N/m²).

+ p_a 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).

+ h là độ sâu của điểm ta xét so với mặt thoáng của chất lỏng (m).

I. Khối lượng riêng

Câu hỏi 1 trang 131 Vật Lí 10: Tại sao khối lượng riêng của một chất lại phụ thuộc vào nhiệt độ?

Lời giải:

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

- Khối lượng luôn không thay đổi.

- Thể tích tăng (giảm) khi nhiệt độ tăng (giảm).

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

Câu hỏi 2 trang 131 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

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:

ρ = $\frac{m}{V}$ => V = $\frac{m}{\rho }=\frac{100}{10,3}$ = $\frac{1000}{103}$cm³

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

Ta có: V = V₁ + V₂ ⇔ V = $\frac{m_1}{{\rho }_1}+\frac{m_2}{{\rho }_2}$; với m = m₁ + m₂ = 100g

⇔ $\frac{1000}{103}=\frac{m_1}{10,4}+\frac{100-m_1}{8,9}$

=> m₁ ≈ 94,24g

=> m₂ ≈ 5,76g

Vậy khối lượng của bạc là 94,24 g; khối lượng của đồng là 5,76 g.

II. Áp lực và ấp suất

Câu hỏi trang 132 Vật Lí 10: Hãy dựa vào thí nghiệm vẽ ở Hình 34.2, cho biết độ lớn của áp lực phụ thuộc vào những yếu tố nào và phụ thuộc như thế nào.

Lời giải:

Độ lớn của áp lực phụ thuộc vào khối lượng của vật và diện tích bề mặt tiếp xúc.

- Từ (1) và (3) ta thấy đối với vật có cùng khối lượng, diện tích bề mặt tiếp xúc càng lớn thì áp lực càng nhỏ và ngược lại.

- Từ (1) và (2) ta thấy đối với vật có cùng diện tích bề mặt tiếp xúc, khối lượng càng lớn thì áp lực càng lớn và ngược lại.

Câu hỏi 1 trang 132 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

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 trang 132 Vật Lí 10: 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

Lời giải:

- Phân tích trọng lực $\overrightarrow{P}$ thành hai thành phần ${\overrightarrow{P}}_1$, ${\overrightarrow{P}}_2$ ta được:

- Thành phần ${\overrightarrow{P}}_1$ ép lên mặt phẳng nghiêng theo phương vuông góc nên mặt phẳng nghiêng nên đóng vai trò là áp lực.

=> F_N = P₁ = P.cosα (đpcm)

Câu hỏi 1 trang 132 Vật Lí 10: 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)?

Lời giải:

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 chạy bằng bánh có diện tích bị ép nhỏ nên áp suất gây ra bởi trọng lượng của ô tô lớn hơn.

Vì vậy, 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 trên chính quãng đường này.

Câu hỏi 2 trang 132 Vật Lí 10: 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?

Lời giải:

- Xẻng trong hình 34.6a dùng để xúc đất tốt hơn vì có mũi vuông nên phần diện tích bề mặt lớn hơn, do đó mỗi lần xúc sẽ xúc được nhiều đất hơn.

- Xẻng trong hình 34.6b dùng để xén đất tốt hơn vì có mũi nhọn, diện tích bị ép nhỏ nên gây ra áp suất lớn lên đất, dễ đi sâu được vào đất hơn do đó sẽ dễ xén đất hơn.

Câu hỏi 3 trang 132 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

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

p = $\frac{F_N}{S}=\frac{P}{S}=\frac{m.g}{S}=\frac{50.9,8}{2.0,015}$ ≈ 16333N/m²

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

p' = $\frac{F_N}{S\text{'}}=\frac{P}{S\text{'}}=\frac{m.g}{S\text{'}}=\frac{50.9,8}{0,015}$ ≈ 32667N/m²

III. Áp suất của chất lỏng

Hoạt động trang 133 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

- Khi bình cầu đặt trên cạn, nước trong bình sẽ theo các lỗ nhỏ thoát ra ngoài. Khi nhúng bình vào nước thì nước không còn thoát ra ngoài theo các lỗ đó nữa. Điều đó chứng tỏ áp suất của nước tác dụng vào thành của bình cầu, đẩy và giữ cho nước ở trong bình.

- Áp suất chất lỏng tác dụng lên vật theo nhiều phương, còn áp suất chất rắn chỉ tác dụng lên vật theo một phương (phương vuông góc với bề mặt tiếp xúc).

Câu hỏi trang 133 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

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

Câu hỏi trang 134 Vật Lí 10: Một khối hình lập phương có cạnh 0,30 m, khối lập phương chìm $\frac{2}{3}$ trong nước. Biết khối lượng riêng của nước là 1000 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.

Lời giải:

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

p = ρ.g.h = 1000.9,8.$\frac{2}{3}$.0,3 = 1960 N/m²

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

+ Phương: thẳng đứng.

+ Chiều: từ dưới lên trên.

+ Độ lớn: F_A = ρ.g.V = 1000.9,8.0,3.0,3.$\frac{2}{3}$.0,3 = 176,4 N

Hoạt động trang 134 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

- 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 trang 134 Vật Lí 10: Tính độ chênh lệch áp suất của nước giữa 2 điểm thuộc 2 mặt phẳng nằm ngang cách nhau 20 cm.

Lời giải:

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 trang 134 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

- 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 trang 134 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

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)

Hoạt động trải nghiệm trang 134 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

Phương án thí nghiệm:

- Giá treo có thể điều chỉnh được độ cao.

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

- Treo quả nặng vào đầu dưới của lực kế sau đặt hệ lực kế và vật và bình chia độ được bố trí như hình vẽ.

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

- Nâng cao giá treo lên một khoảng tiếp tục đọc số chỉ của lực kế và đo độ sâu h’.

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

Em có thể trang 135 Vật Lí 10: Giải thích được vì sao người thợ lặn muốn lặn sâu dưới biển phải được trang bị thiết bị lặn chuyên dụng.

Lời giải:

Khi lặn sâu người thợ lặn phải được trang bị các thiết bị lặn chuyên dụng vì khi lặn càng sâu thì chiều cao (h) của chất lỏng càng lớn, nên áp suất chất lỏng tác dụng lên người thợ lặn càng lớn. Nếu không được trang bị các thiết bị lặn chuyên dụng, người thợ lặn sẽ không thể chịu được áp suất này và gây nguy hiểm đến tính mạng.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật Lí lớp 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng

Bài 30: Thực hành: Xác định động lượng của vật trước và sau va chạm

Bài 31: Động học của chuyển động tròn đều

Bài 32: Lực hướng tâm và gia tốc hướng tâm

Bài 33: Biến dạng của vật rắn