IMSO 2018 Khoa học Quốc tế - Thực nghiệm

PHẦN I: NỔI VÀ CHÌM

Archimedes xứ Syracuse (khoảng 287–212 TCN) là nhà toán học, vật lý, kỹ sư, nhà phát minh và thiên văn học Hy Lạp cổ đại. Khoảng năm 250 TCN, ông tìm ra quan hệ giữa lực đẩy nổi và trọng lượng chất lỏng bị chiếm chỗ. Nguyên lý Archimedes phát biểu: lực đẩy hướng lên tác dụng lên vật nhúng trong chất lỏng bằng trọng lượng chất lỏng bị vật chiếm chỗ:

$F_{\mathrm{day}}=P_{\mathrm{long}}=m_{\mathrm{long}}g=\rho_{\mathrm{long}}Vg$, trong đó $g\approx10\,\mathrm{m/s^2}$, $\rho$ là khối lượng riêng của chất lỏng và $V$ là thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ.

Mục tiêu: Xác định khối lượng riêng của chất lỏng X chưa biết bằng nguyên lý Archimedes.

Dụng cụ: Giá sắt có kẹp; lực kế lò xo; ống đong 250 ml; cốc 250 ml; kéo; dây; đất nặn (plasticine); cốc chứa chất lỏng X; khăn/vải giấy để lau khô.

An toàn: Cẩn thận khi dùng dụng cụ thủy tinh; làm vỡ dụng cụ sẽ bị trừ điểm trong bài thi gốc. Không uống hoặc nếm X. Không ăn hoặc nếm đất nặn.

Cách tiến hành (nguồn bỏ qua số bước 6):

1\. Dùng lực kế lấy 50 g đất nặn.

2\. Dùng ống đong đo thể tích $V$ của đất nặn. Ghi tất cả số đo vào bảng trả lời.

3\. Treo lại 50 g đất nặn vào lực kế. Đổ 250 ml chất lỏng X vào cốc rồi hạ lực kế sao cho đất nặn ngập hoàn toàn nhưng không chạm cốc. Xem hình bố trí.

4\. Ghi số chỉ khối lượng mới trên lực kế.

5\. Tính khối lượng $m_X$ của chất lỏng bị chiếm chỗ bằng hiệu số chỉ trước và sau khi nhúng.

7\. Lặp lại bước 1–5 với 70 g và 100 g đất nặn.

8\. Vẽ đồ thị khối lượng chất lỏng bị chiếm chỗ theo thể tích đất nặn trên Đồ thị 1.

Lưu ý an toàn do biên soạn: Nguồn vừa liệt kê cốc 250 ml vừa yêu cầu đổ 250 ml trước khi nhúng vật. Hãy dùng bình đủ lớn còn khoảng trống hoặc hỏi giám thị cách điều chỉnh an toàn; tránh tràn và bảo đảm vật ngập hoàn toàn. Ghi rõ thay đổi.

Kết quả: Điền ba hàng bằng số đo thực tế của em. Không có số liệu quan sát cho sẵn.

| Thể tích $V$ (ml) | Khối lượng đất nặn trong không khí (g) | Số chỉ khi đất nặn trong X (g) | Khối lượng X bị chiếm chỗ $m_X$ (g) |
| --- | --- | --- | --- |
| ____ | ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ | ____ |

(a) Khối lượng X bị chiếm chỗ và thể tích đất nặn có mối tương quan nào? [2 điểm nguồn]

(b) Từ quan hệ này, xác định khối lượng riêng của X trên đồ thị bằng cách nào? Hãy tính giá trị đó. [3 điểm nguồn]

(c) Cần vẽ các đại lượng đã đo nào để xác định khối lượng riêng của đất nặn? Vẽ trên Đồ thị 2 và tính khối lượng riêng đất nặn từ đồ thị.

(d) Thí nghiệm này có áp dụng trực tiếp cho vật nổi một phần trong chất lỏng không? Giải thích ngắn gọn và nêu các điều chỉnh cần thiết.

Chỗ trả lời (a)–(d): __________________________________________________

Đồ thị 1: Nổi và chìm. Thêm trục, đơn vị, thang đo và các điểm thực nghiệm vào lưới trống. Không tự tạo số đo.



Đồ thị 2: Nổi và chìm. Chọn các đại lượng theo (c), ghi tên trục và vẽ các điểm đã đo.






Chú thích hình: Giá đỡ, lực kế và đất nặn ngập hoàn toàn trong cốc X; vật không chạm cốc.

PHẦN II: THỂ TÍCH HÀNG HÓA TỐI ĐA

Nguyên lý Archimedes có ứng dụng quan trọng đối với thuyền, tàu nổi trên nước và lượng hàng tối đa có thể chở. Nguồn nêu quan hệ tổng quát:

Khối lượng thuyền và hàng ≤ khối lượng nước bị thuyền chiếm chỗ.

Hãy thiết kế và tiến hành thí nghiệm xác định thể tích tối đa của một loại cát quý mà thuyền nhựa nhỏ có thể chở trên nước ngọt (khối lượng riêng 1,0 g/ml) trước khi chìm, nhằm xác định không gian chứa cần thiết. Cát phải luôn khô. Chỉ có một mẫu cát nhỏ; không để cát chạm nước vì sẽ mất rất lâu để khô.

Dụng cụ được cung cấp:
- Cốc nhựa chứa một mẫu cát nhỏ
- Thuyền (hộp nhựa nổi được trên nước)
- Quả cân chuẩn và kẹp giấy
- Cân điện tử
- Ống đong 100 ml và ống đong 250 ml
- Cốc 250 ml
- Thước 30 cm
- Nước
- Hộp nhựa để thử nghiệm
- Khăn để lau khô

Mục tiêu: Thiết kế quy trình, tiến hành thí nghiệm và xác định thể tích cát tối đa thuyền có thể chở. Trong kế hoạch, nêu rõ các phép đo, dụng cụ và mọi phép tính cần thiết. Không bắt buộc dùng hết dụng cụ.

Thiết kế: __________________________________________________

___________________________________________________________

Kết quả: ___________________________________________________

___________________________________________________________

(a) Nước biển có khối lượng riêng hơi lớn hơn nước ngọt (khoảng 1,03 g/ml, tương đương 1,03 g/cm³). Em dự đoán thể tích cát chở được nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn thể tích xác định bằng thí nghiệm nước ngọt? Giải thích.

(b) Thuyền sẽ chở cát qua biển (nước mặn), nhưng các cảng ở hai đầu đều có nước ngọt. Nên vẫn thử bằng nước ngọt, dùng nước mặn, hay dùng cả hai rồi lấy trung bình? Giải thích ngắn gọn.

Trả lời (a): ________________________________________________

Trả lời (b): ________________________________________________

Bảng ghi trống tùy chọn (do biên soạn; bản gốc chỉ để trống phần Thiết kế và Kết quả). Chọn và ghi tên các đại lượng phù hợp phương pháp của em; để trống những số đo chưa có.

| Đại lượng đo và dụng cụ | Giá trị | Đơn vị |
| --- | --- | --- |
| ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ |
| ____ | ____ | ____ |