Câu hỏi: Một vật đang lơ lửng ở trong nước chịu tác dụng của những lực nào?
- A. Trọng lực và lực cản của nước.
- B. Trọng lực và lực đẩy Archimedes.
- C. Lực đẩy Archimedes và lực cản của nước.
- D. Lực đẩy Archimedes và lực ma sát.
Đáp án đúng là B. Trọng lực và lực đẩy Archimedes. Vật lơ lửng tức là đứng yên trong nước nên hợp lực tác dụng lên vật bằng 0; hai lực cân bằng nhau chính là trọng lực hướng xuống và lực đẩy Archimedes hướng lên. Muốn biết một vật ở trong nước chịu tác dụng của những lực nào, cần loại trước các lực chỉ xuất hiện khi có chuyển động như lực cản và lực ma sát.
Vì sao đáp án B đúng?
Vật lơ lửng trong nước nghĩa là vật đứng yên hoàn toàn so với nước: không đi lên, không đi xuống. Một vật đứng yên thì hợp lực tác dụng lên nó phải bằng 0, do đó các lực tác dụng lên vật phải cân bằng nhau. Xét tất cả lực có thể có, chỉ đúng hai lực luôn tồn tại trong trường hợp này.
Trước hết là trọng lực: do Trái Đất hút vật gây ra, hướng thẳng đứng xuống dưới và luôn tác dụng lên mọi vật có khối lượng. Thứ hai là lực đẩy Archimedes: sinh ra do áp suất của nước tác dụng lên toàn bộ phần vật chìm trong nước, hướng thẳng đứng lên trên. Đó là hai lực mà lời giải đã xác định là tác động lên vật đang lơ lửng.
Khi vật lơ lửng, hai lực này cân bằng nhau: F_A = P. Chúng ngược chiều, cùng nằm trên trục thẳng đứng đi qua vật nên triệt tiêu nhau, giữ vật đứng yên trong lòng nước. Điều kiện F_A = P chính là dấu hiệu nhận biết trạng thái lơ lửng của vật trong chất lỏng.
Vì sao các phương án A, C, D sai?
Phương án A sai vì thiếu lực đẩy Archimedes, lực luôn xuất hiện khi vật chìm trong chất lỏng, không thể bỏ qua. Lực cản của nước chỉ sinh ra khi vật chuyển động tương đối so với nước; vật lơ lửng đứng yên nên lực cản bằng 0. Đây là phương án dễ nhầm nhất, vì nhiều bạn tưởng nước lúc nào cũng “cản” vật nằm trong nó, nhưng thực tế lực cản chỉ có khi có chuyển động.
Phương án C sai vì thiếu trọng lực. Mọi vật có khối lượng ở gần Trái Đất đều bị Trái Đất hút, nên không thể có vật trong nước mà không chịu trọng lực. Nếu chỉ có lực đẩy Archimedes hướng lên mà không có lực nào cân bằng, vật sẽ bị đẩy vọt lên chứ không thể đứng yên lơ lửng.
Phương án D sai vì vừa thiếu trọng lực, vừa nêu lực ma sát không phù hợp. Giữa vật và nước không có lực ma sát đáng kể khi vật đứng yên; các lực dạng cản trở chuyển động chỉ xuất hiện khi vật chuyển động tương đối so với nước, mà vật lơ lửng thì không có chuyển động đó.
Hệ thống kiến thức liên quan
Khi cần xác định một vật ở trong nước chịu tác dụng của những lực nào, điểm mấu chốt là phân biệt lực luôn tồn tại với lực chỉ xuất hiện khi có chuyển động.
- Trọng lực P: do lực hút của Trái Đất gây ra, hướng thẳng đứng xuống, độ lớn P = mg, trong đó m là khối lượng vật, g là gia tốc rơi tự do.
- Lực đẩy Archimedes: do áp suất chất lỏng tác dụng lên phần vật chìm, hướng thẳng đứng lên, độ lớn bằng trọng lượng phần chất lỏng vật chiếm chỗ: F_A = ρ.g.V, với ρ là khối lượng riêng của nước, V là thể tích phần vật chìm trong nước.
- Ba trạng thái của vật trong nước: vật chìm khi F_A nhỏ hơn P; vật lơ lửng khi F_A bằng P (đứng yên trong lòng nước); vật nổi khi hai lực cân bằng nhau nhưng vật chỉ chìm một phần, nhô phần còn lại lên khỏi mặt nước.
- Lực cản của nước và lực ma sát: có xu hướng chống lại chuyển động của vật trong chất lỏng, chỉ đáng kể khi vật chuyển động tương đối với nước. Vật lơ lửng (đứng yên hoặc chuyển động đều) thì hai lực này bằng 0 hoặc không đáng kể.
Mẹo ghi nhớ dạng bài
Luôn bắt đầu bằng “bộ đôi mặc định”: vật ở trong chất lỏng thì chắc chắn chịu trọng lực hướng xuống và lực đẩy Archimedes hướng lên; xét xong hai lực này mới tính đến lực khác.
Công thức nhận diện nhanh: lơ lửng = đứng yên trong lòng nước = F_A cân bằng P. Lực cản và lực ma sát chỉ “có mặt” khi có chuyển động tương đối, nên đề nói vật lơ lửng, đứng yên thì loại ngay phương án chứa hai lực này. So sánh thêm: quả bóng nổi trên mặt nước cũng chịu đúng hai lực P và F_A cân bằng nhau, khác vật lơ lửng ở chỗ bóng chỉ chìm một phần thể tích.
Bài viết liên quan: