關鍵概念
流體動力學
流體動力學
物理學
水
引言
你有沒有想過，為什麼當把一根鋼釘扔進水裡時，它會像石頭一樣沉下去，但當一艘建造精良的鋼船在海里時，它卻能漂浮起來，即使它的重量遠大於一根小小的釘子？
答案與以下事實有關：當一個物體被放入水中時，水會被推開。當你泡澡時，你可能已經注意到這一點。這就是所謂的阿基米德原理：當水被物體推開時，水會對物體產生一個反作用力，這個力的大小等於物體的重量。這就是幫助物體漂浮的原因。
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背景
2200多年前，一位名叫阿基米德的科學家坐在浴缸裡，發現當一個物體被放入水中時，水會移動——它會被排開。如果物體漂浮，那麼被排開的水的重量與物體的重量相同。當物體排開水時，會有一個力，稱為浮力，作用在物體上。水施加的這種向上作用力的強度等於被排開的水的重量。所以，如果一個物體只排開一點點水，那麼這點水的重量就很小，浮力也很小。另一方面，如果物體排開大量的水，那麼就會有一個很大的浮力向上推。一個物體是沉還是浮取決於它的密度以及它排開多少水來產生足夠大的浮力。一個鋁製“船”在沉沒之前密度能有多大？
材料
• 布毛巾（或紙巾）
• 大的透明碗或容器
• 水
• 鋁箔
• 米尺
• 筆
• 剪刀
• 永久性記號筆
• 錘子或木槌
準備
• 在堅硬的工作表面上鋪開毛巾或紙巾。將碗或容器裝滿約三分之二的自來水，然後將其放在毛巾上。
• 測量出一塊大約25釐米（cm）見方的鋁箔。剪下這個正方形。這將成為您測試的金屬“船”。
• 用永久性記號筆標記鋁箔正方形的四個角。
• 注意：在實驗的後面，您將使用錘子。請務必在可以安全承受力的且耐損壞的表面上敲擊。
步驟
• 將鋁箔正方形的角拉在一起，將正方形揉成一個直徑約為6釐米的鬆散的球。揉鋁箔，使標記的角保持在一起並在一個位置可見。
• 將球輕輕地放入碗中，使其標記的角朝上，這將有助於防止球充滿水。立即觀察球。它是沉還是浮？
• 放低身體，使您的視線與鋁箔球齊平，並快速觀察球在水面以下的部分。大約有10%、25%、33%、50%、67%、75%、90%還是100%的球在水下？
• 從碗中取出球，甩掉水並將其在毛巾上擦乾。
• 現在將球揉得更緊一些，揉成直徑約為5釐米的球。如果您揉得太厲害，只需小心地拉開一些鋁箔以獲得所需的尺寸。
• 再次將球輕輕地放入水中，使標記的角朝上。它是沉還是浮？球在水面以下的部分佔多少百分比？將其取出，甩掉水並擦乾。
• 繼續將球揉得更小更緊，並測試它是否漂浮（如您一直在做的那樣），隨著它變得更小。繼續測試更小的直徑，直到球完全沉沒。嘗試測試以下直徑（或大致相似的直徑）：4.0釐米，3.0釐米，2.5釐米，2.2釐米，2.0釐米，1.8釐米，1.6釐米。如果僅靠手力很難將球擠壓得更小，那麼請小心地使用錘子或木槌輕輕地將箔敲成一個較小的球（或儘可能接近球形）。對於您測試的每個直徑，球的多少百分比被淹沒？
• 球在哪個直徑處沉到水底？您認為沉沒的球的密度是最低還是最高？球在哪個直徑處的密度與水的密度大致相等？（球何時幾乎完全淹沒或完全淹沒但並未完全沉入底部？）
• 額外：剪出至少兩張額外的25釐米見方的鋁箔片，然後重複此活動。您在測試的所有鋁箔正方形上都得到相同的結果嗎？還是存在很大差異？
• 額外：您可以再次進行此活動，但是這次在秤上稱量鋁箔的重量，並以克為單位計算其質量。計算每個直徑的球體的體積，使用球體的體積等於三分之四乘以pi (3.14) 乘以半徑的立方這一事實。使用質量和體積，透過將質量除以體積來計算每個直徑的鋁箔片的平均密度。鋁球在什麼密度下沉沒？鋁球在什麼密度下大致等於水的密度？對於球的每個直徑，排開的水的質量是多少？為了獲得更準確的結果，請繼續測試額外的25釐米鋁箔正方形。
觀察和結果
隨著球的直徑減小，球在水面以下的部分是否越來越多？當球的直徑約為2.5釐米時，大約有一半的球在水下嗎？當球的直徑約為1.6釐米或更小時，整個球都沉沒了嗎？
如果一個物體漂浮在水中，那麼被排開的水的重量與物體的重量相同。因此，當它漂浮時，隨著直徑的減小，球應該排開相同量的水，因此浮力應該保持不變。然而，球的密度在變化——隨著球的直徑減小，密度會增加。
密度是單位體積的質量——它描述了多少“物質”被壓縮到一個空間體積中。當鋁球的直徑為6.0釐米時，球應該能很好地漂浮，因為它內部的空氣使其密度低於水的密度，就像鋼船一樣，它們之所以能夠漂浮是因為它們透過將空氣包裹在船體內部來降低了密度。只要船排開足夠的水以產生強大的浮力，它就可以保持漂浮——即使它裝載了貨物。隨著直徑減小和密度增加，球應該沉沒得越來越多。當其直徑約為1.8釐米或1.6釐米時，您可能已經看到它被淹沒了90％（幾乎完全淹沒）。這時，球的密度大約等於水的密度。當直徑約為1.6釐米或更小時，球應該完全沉沒，這表明它的密度大於水的密度，從而克服了浮力。
清理
將水倒入排水溝並回收鋁箔。
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