核心概念
水
密度
物理學
流體動力學
流體力學
引言
你有沒有想過，一艘用鋼鐵製成的船是如何漂浮的？如果你把一個鋼螺栓扔進一桶水裡，螺栓會迅速沉到水底。那麼，一艘鋼船是如何漂浮的呢？更棒的是，一艘鋼船如何在不沉沒的情況下載運重物？這與船的密度（包括其貨物）相對於水的密度有關。在這個活動中，你將用鋁箔製作小“船”，來探索它們的尺寸和形狀如何影響它們的載重量，以及這與水的密度有何關係。
背景
是什麼決定了一個物體是漂浮還是下沉？這取決於物體的密度（單位體積的質量）與它所處的液體的密度之間的比較。如果物體的密度大於流體的密度，物體就會下沉。如果物體的密度小於流體的密度，那麼它就會漂浮。
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對於一艘鋼殼船來說，船體的形狀決定了它的漂浮能力和承載能力。在一艘空船上，鋼殼包圍著一定體積的空氣，船的密度等於鋼殼的質量和封閉空氣的質量之和，再除以船體的體積：該船之所以漂浮，是因為其密度小於水的密度。但是，當貨物或其他重量被新增到船上時，其密度現在變為鋼殼的質量、封閉空氣的質量和貨物質量之和，再除以船體的體積。如果新增的重量過多，船的密度就會大於水的密度，船就會下沉。需要趕緊將過多的貨物拋到船外，否則就該棄船了！
材料
• 鋁箔
• 尺子
• 膠帶
• 計算器
• 廢紙和筆或鉛筆
• 水桶、盆、水槽或洗碗盆
• 水
• 便士。你可能需要多達 200 個，具體取決於你製作的船的大小和形狀。
• 抹布或紙巾
• 幹米和量杯（可選）
準備工作
• 剪下兩塊鋁箔，使其中一塊正方形的尺寸是另一塊正方形的兩倍。例如，你可以製作一個 30 x 30 釐米（1 x 1 英尺）的正方形，然後製作第二個 15 x 15 釐米（6 x 6 英寸）的正方形。
• 將兩個鋁箔正方形摺疊成兩個不同的船體。儘量使它們的形狀相同。例如，你可以使它們都具有兩個尖端（像獨木舟），也可以使它們呈方形或矩形，側面有筆直的邊緣（更像駁船）。
• 對船體進行最後的修飾。確保它們沒有任何洩漏。如果需要，可以使用少量膠帶使它們更堅固。壓平船體底部。在每個船體上，儘量確保邊緣周圍的邊緣高度相同。你認為這為什麼重要？
• 計算每個船體的體積。如果兩個船體都是方形或矩形，則可以測量每個船體的長度、寬度和高度，然後將這些尺寸相乘即可得出其總體積。如果船體的某些部分具有不規則的形狀，則分段測量體積，然後將這些體積相加。使用三角形來近似船體任何彎曲或成角度的區域。每個船體的體積是多少？寫下來。
• 或者，你可以使用幹米來計算每個船體的體積。為此，小心地用幹米填充每個船體，使米與船體頂部齊平。小心不要損壞船體，將幹米轉移到量杯中。使用米時，每個船體的體積是多少？寫下來。
• 在水桶、盆、水槽或洗碗盆中裝一些水。
步驟
• 取出一個船體，小心地將其漂浮在足夠深的盛水容器中，以完全淹沒船體。
• 輕輕地一次新增一個便士。為防止船體傾斜，在新增便士時小心地平衡負載（從左到右，從前到後，或者如果你感覺像在航海，則從左舷到右舷，從船頭到船尾）。
• 繼續新增便士，直到船體最終沉沒。
• 小心地取出沉沒的船體，並將其和便士放在抹布或紙巾上。將多餘的水倒回容器中。
• 計算一下船體在沉沒之前可以支撐多少個便士（使船體沉沒的便士不算數）。它可以支撐多少個便士？寫下這個數字。
• 使用另一個船體重複此過程。請務必只新增乾燥的便士。你認為使用乾燥的便士（而不是溼的便士）為什麼重要？
• 較大的船體可以支撐比小船體多得多的便士嗎？
• 確保你計算出的每個船體的體積以立方厘米 (cm3) 為單位。如有必要，請轉換並寫下來。（立方厘米與毫升或 mL 相同。）
• 將每個船體可以支撐的便士數量轉換為克。為此，將便士的數量乘以 2.5 克（一個便士的重量）。每個船體可以支撐多少克？將此數字為每個船體寫下來。
• 對於每個船體，將它可以支撐的克數除以其以立方厘米為單位的體積。這大致給出了船體的密度。每個船體在沉沒之前的密度是多少？你認為這與水的密度有何關係？
• 額外：在此活動中，你比較了兩個不同尺寸的船體，但是你可以重複此活動，嘗試更廣泛的船體形狀和尺寸。如果你使用形狀不同的鋁箔船體，你是否會得到相同的結果？你是否在結果中看到了某種模式？
• 額外：你在此活動中粗略地計算了水的密度，但是你可以使你的計算更加準確。考慮一下哪些因素影響了你的計算，開發一種更準確地確定水密度的方法，例如包括船體的重量，新增比便士小的東西來測量船體可以承受的重量，以及更準確地確定船體的體積。你的計算結果與水的實際密度有多接近？
• 額外：重複此活動，但這次使用水以外的其他液體（或半固體），例如食用油、液體洗滌劑甚至雪。（請與成年人核實，以確保你可以將家用液體用於你的活動。）確保不要使用任何危險的化學物質，例如家用清潔溶液。如果你不想使用過多的液體，可以用水稀釋它，或者使用一個小容器（剛好足夠容納你的船體），並將其填充到比船體的高度略深的位置，以便船體可以下沉。其他液體和半固體的密度是多少？它們的密度與水的密度相比如何？觀察結果
較大的船體是否支撐了更大的重量？兩個船體在沉沒前的密度是否相似，大約為每立方厘米一克，即水的密度？
當你第一次將其中一個船體放在水上時，它應該漂浮，因為其總密度小於水的密度。當你向船體新增便士時，其密度會增加，船體也會漂得更低。最終，當新增足夠的便士時，船體的密度大約等於水的密度。這發生在使船體沉沒的便士被新增之前。船體之所以下沉，是因為其密度最終變得大於水的密度。因此，船體在沉沒之前的密度應大致等於水的密度，即每立方厘米一克。即使較大的船體可以支撐更多的重量，它也具有更大的體積，並且兩個船體在沉沒前的密度都應大致為每立方厘米一克。（你的密度可能不完全如此，但可能在每立方厘米 0.7 至 1.3 克之間。可以消除的錯誤來源，以使你得到更接近實際水密度的答案，包括更準確地計算每個船體的體積，使用比便士小的東西，並在計算中包括船體的重量。）
清理
完成船體的測試後，請務必回收鋁箔。
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此活動由以下機構合作推出 Science Buddies