Đo thể tích vật hình thù lạ bằng nước dâng: hòn đá, củ khoai, vật nổi

Muốn đo thể tích một vật hình thù lạ như hòn đá, củ khoai hay con thú nhựa nhỏ, hãy nhấn chìm hoàn toàn vật đó vào nước trong một bình có vạch: mực nước dâng lên bao nhiêu mililít thì vật có thể tích bấy nhiêu centimét khối. Vật nổi thì dùng que mảnh ấn chìm, vật thấm nước thì bọc kín trước khi nhúng. Đây là cách đo chính xác nhất có thể làm trong bếp.

Vì sao nước dâng lại cho biết thể tích?

Hai vật không thể cùng chiếm một chỗ. Khi vật chìm hẳn vào nước, nó đẩy một lượng nước ra khỏi chỗ nó đang nằm, và lượng nước đó phải dồn lên trên. Phần nước bị đẩy lên có thể tích đúng bằng phần vật nằm dưới mặt nước. Vật chìm hoàn toàn thì phần nước dâng bằng toàn bộ thể tích vật.

Nước rất hợp cho việc này vì nó len vào mọi kẽ, ôm sát mọi đường cong. Ta đo thể tích nước thì dễ, vì nước lấy hình của bình chứa, còn đo trực tiếp một hòn đá lồi lõm thì không thước nào làm nổi.

Chuyện Archimedes nhảy khỏi bồn tắm và tìm ra cách kiểm vương miện là một giai thoại do người đời sau chép lại, sử liệu không xác nhận chi tiết; điều chắc chắn chỉ là nguyên lý nước dâng đã được dùng từ rất lâu.

Cần chuẩn bị những gì?

• Bình có vạch: cốc đong nhựa trong bếp, ống đong trong bộ thí nghiệm của học sinh, hoặc bình sữa có vạch ml. Bình càng hẹp thì càng đọc chính xác.
• Nước ở nhiệt độ phòng: nước máy là được.
• Vật cần đo phải lọt hẳn vào bình mà không chạm đáy quá mạnh làm vỡ bình.
• Que mảnh: tăm tre, xiên que, kim khâu cắm vào nút bấc, dùng khi vật nổi.
• Túi zip mỏng hoặc màng bọc thực phẩm: dùng khi vật thấm nước hoặc không được ướt.
• Khăn lau, khay hứng để nước tràn không làm ướt bàn.

Các bước đo vật chìm: hòn đá, củ khoai, con ốc

1. Rót nước vào bình tới một vạch tròn số, chẳng hạn 300 ml. Mực nước phải đủ để ngập hoàn toàn vật mà vẫn không tràn khi vật thả vào.
2. Đặt bình trên mặt phẳng, cúi xuống cho mắt ngang mặt nước, đọc vạch ở đáy của mặt cong lõm. Ghi số đầu.
3. Nghiêng bình một chút, thả vật trượt nhẹ theo thành bình xuống đáy để không bắn nước ra ngoài.
4. Gõ nhẹ thành bình cho bọt khí bám trên vật nổi lên. Bọt khí cũng chiếm chỗ và làm kết quả to hơn thật.
5. Đọc số mới theo đúng cách cũ. Hiệu hai số là thể tích vật: từ 300 lên 345 ml thì vật có thể tích 45 cm³.

Nhớ rằng 1 ml đúng bằng 1 cm³, nên không cần đổi đơn vị.

Vật quá to, không lọt bình có vạch thì sao?

Dùng cách hứng nước tràn. Đặt một chậu hoặc nồi lên khay rộng, đổ nước đầy tới sát miệng chậu (đổ thêm từng chút cho tới khi nước bắt đầu nhỉ ra). Lau khô khay. Nhấn vật vào chậu từ từ, nước tràn ra khay. Đổ phần nước trong khay vào cốc đong để đọc. Lượng nước tràn chính là thể tích vật.

Cách này hơi kém chính xác hơn vì nước bám lại ở khay, ở thành chậu. Muốn sát hơn, làm hai ba lần rồi lấy số ở giữa. Với vật rất to như một chiếc mũ bảo hiểm hay một trái bóng, có thể dùng thùng nhựa và đong nước tràn bằng chai đã biết dung tích.

Vật nổi, vật thấm nước, vật không được ướt xử lý sao?

Vật nổi: quả bóng bàn, nút bấc, miếng gỗ

Vật nổi chỉ chìm một phần, nên nước dâng chỉ bằng phần chìm. Muốn đo cả vật, dùng một que thật mảnh ấn vật chìm hẳn xuống ngay dưới mặt nước rồi đọc. Que càng mảnh thì phần nước que đẩy ra càng nhỏ, có thể bỏ qua. Nếu cần chính xác hơn, đọc vạch khi chỉ nhúng que tới cùng độ sâu, rồi trừ đi.

Một cách khác: buộc vật nổi chung với một vật chìm đã biết thể tích (một viên bi sắt đã đo trước), thả cả hai xuống, rồi trừ thể tích viên bi.

Vật thấm nước: bọt biển, gạch nung, gỗ khô

Vật xốp hút nước vào các lỗ nhỏ, làm mực nước tụt dần trong lúc đo. Hai cách xử lý:

• Bọc kín: cho vật vào túi zip mỏng, ép hết không khí ra rồi kéo khoá, hoặc quấn màng bọc thực phẩm thật sát. Thể tích túi mỏng rất nhỏ, có thể bỏ qua với vật cỡ nắm tay trở lên.
• Ngâm bão hoà trước: ngâm vật cho tới khi hết sủi bọt, vớt ra để ráo mặt ngoài rồi mới đo. Cách này đo được thể tích "vỏ ngoài" của vật, không tính lỗ rỗng bên trong.

Vật không được ướt: đồ điện tử, bánh, đồ giấy

Có thể thay nước bằng hạt mịn khô như gạo tấm, cát mịn đã sàng, hạt kê. Đổ hạt vào hộp tới một vạch, lấy bớt ra, đặt vật vào rồi đổ lại hạt cho tới cùng vạch; lượng hạt thừa ra chính là thể tích vật. Cách này kém chính xác hơn nước vì hạt không ôm sát được mọi kẽ, nhưng đủ dùng để so to nhỏ.

Đo xong thể tích thì dùng làm gì?

Tính khối lượng riêng để nhận biết vật liệu

Cân vật bằng cân nhà bếp, chia khối lượng (gam) cho thể tích (cm³) là ra khối lượng riêng. Con số này giúp đoán vật liệu: đá granit, đá hoa thường khoảng 2,6–2,8 g/cm³; nhôm khoảng 2,7; sắt thép khoảng 7,8; củ khoai tây khoảng 1,05–1,1; nến parafin khoảng 0,9. Một chiếc nhẫn cân nặng mà thể tích lớn bất thường so với kim loại người bán nói, đó là dấu hiệu cần mang tới nơi kiểm định đàng hoàng.

Kiểm tra cảm giác của mắt

Trước khi đo, hãy đoán thử vật có bao nhiêu cm³ rồi so với kết quả. Phần lớn người đoán lệch khá xa với vật tròn hoặc vật có nhiều chỗ lõm. Làm vài lần, mắt sẽ quen hơn với thể tích.

Những chỗ làm sai số lớn nhất

• Đọc vạch lệch mắt: nhìn từ trên xuống thì số đọc cao hơn thật, nhìn từ dưới lên thì thấp hơn. Luôn để mắt ngang mặt nước.
• Bình quá to so với vật: viên sỏi 5 cm³ thả vào cốc đong 1 lít chia vạch 50 ml thì gần như không thấy nước dâng. Chọn bình hẹp có vạch nhỏ.
• Bọt khí: gõ nhẹ thành bình, xoay vật.
• Nước bắn ra ngoài khi thả vật: thả nghiêng theo thành bình.
• Vật tan hoặc ngấm: viên đường, viên muối tan dần trong nước nên không đo được bằng nước; phải dùng hạt khô hoặc chất lỏng khác mà vật không tan.

Gợi ý một buổi thực hành cho học sinh

Bài đo thể tích vật rắn không thấm nước có trong chương trình Khoa học tự nhiên bậc trung học cơ sở. Ở nhà, phụ huynh có thể cùng con đo năm vật: một hòn sỏi, một củ cà rốt nhỏ, một quả chanh, một viên gạch vụn bọc túi, một chiếc chìa khoá. Ghi bảng số đầu, số sau, thể tích, khối lượng, khối lượng riêng. Học sinh nhỏ thì làm bằng nước lạnh, có người lớn đứng cạnh, dọn khô sàn sau khi làm để không trơn trượt.