关键概念
流体动力学
流体动力学
物理学
水
引言
你有没有想过，为什么当把一根钢钉扔进水里时，它会像石头一样沉下去，但当一艘建造精良的钢船在海里时，它却能漂浮起来，即使它的重量远大于一根小小的钉子？
答案与以下事实有关：当一个物体被放入水中时，水会被推开。当你泡澡时，你可能已经注意到这一点。这就是所谓的阿基米德原理：当水被物体推开时，水会对物体产生一个反作用力，这个力的大小等于物体的重量。这就是帮助物体漂浮的原因。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于当今塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
背景
2200多年前，一位名叫阿基米德的科学家坐在浴缸里，发现当一个物体被放入水中时，水会移动——它会被排开。如果物体漂浮，那么被排开的水的重量与物体的重量相同。当物体排开水时，会有一个力，称为浮力，作用在物体上。水施加的这种向上作用力的强度等于被排开的水的重量。所以，如果一个物体只排开一点点水，那么这点水的重量就很小，浮力也很小。另一方面，如果物体排开大量的水，那么就会有一个很大的浮力向上推。一个物体是沉还是浮取决于它的密度以及它排开多少水来产生足够大的浮力。一个铝制“船”在沉没之前密度能有多大？
材料
• 布毛巾（或纸巾）
• 大的透明碗或容器
• 水
• 铝箔
• 米尺
• 笔
• 剪刀
• 永久性记号笔
• 锤子或木槌
准备
• 在坚硬的工作表面上铺开毛巾或纸巾。将碗或容器装满约三分之二的自来水，然后将其放在毛巾上。
• 测量出一块大约25厘米（cm）见方的铝箔。剪下这个正方形。这将成为您测试的金属“船”。
• 用永久性记号笔标记铝箔正方形的四个角。
• 注意：在实验的后面，您将使用锤子。请务必在可以安全承受力的且耐损坏的表面上敲击。
步骤
• 将铝箔正方形的角拉在一起，将正方形揉成一个直径约为6厘米的松散的球。揉铝箔，使标记的角保持在一起并在一个位置可见。
• 将球轻轻地放入碗中，使其标记的角朝上，这将有助于防止球充满水。立即观察球。它是沉还是浮？
• 放低身体，使您的视线与铝箔球齐平，并快速观察球在水面以下的部分。大约有10%、25%、33%、50%、67%、75%、90%还是100%的球在水下？
• 从碗中取出球，甩掉水并将其在毛巾上擦干。
• 现在将球揉得更紧一些，揉成直径约为5厘米的球。如果您揉得太厉害，只需小心地拉开一些铝箔以获得所需的尺寸。
• 再次将球轻轻地放入水中，使标记的角朝上。它是沉还是浮？球在水面以下的部分占多少百分比？将其取出，甩掉水并擦干。
• 继续将球揉得更小更紧，并测试它是否漂浮（如您一直在做的那样），随着它变得更小。继续测试更小的直径，直到球完全沉没。尝试测试以下直径（或大致相似的直径）：4.0厘米，3.0厘米，2.5厘米，2.2厘米，2.0厘米，1.8厘米，1.6厘米。如果仅靠手力很难将球挤压得更小，那么请小心地使用锤子或木槌轻轻地将箔敲成一个较小的球（或尽可能接近球形）。对于您测试的每个直径，球的多少百分比被淹没？
• 球在哪个直径处沉到水底？您认为沉没的球的密度是最低还是最高？球在哪个直径处的密度与水的密度大致相等？（球何时几乎完全淹没或完全淹没但并未完全沉入底部？）
• 额外：剪出至少两张额外的25厘米见方的铝箔片，然后重复此活动。您在测试的所有铝箔正方形上都得到相同的结果吗？还是存在很大差异？
• 额外：您可以再次进行此活动，但是这次在秤上称量铝箔的重量，并以克为单位计算其质量。计算每个直径的球体的体积，使用球体的体积等于三分之四乘以pi (3.14) 乘以半径的立方这一事实。使用质量和体积，通过将质量除以体积来计算每个直径的铝箔片的平均密度。铝球在什么密度下沉没？铝球在什么密度下大致等于水的密度？对于球的每个直径，排开的水的质量是多少？为了获得更准确的结果，请继续测试额外的25厘米铝箔正方形。
观察和结果
随着球的直径减小，球在水面以下的部分是否越来越多？当球的直径约为2.5厘米时，大约有一半的球在水下吗？当球的直径约为1.6厘米或更小时，整个球都沉没了吗？
如果一个物体漂浮在水中，那么被排开的水的重量与物体的重量相同。因此，当它漂浮时，随着直径的减小，球应该排开相同量的水，因此浮力应该保持不变。然而，球的密度在变化——随着球的直径减小，密度会增加。
密度是单位体积的质量——它描述了多少“物质”被压缩到一个空间体积中。当铝球的直径为6.0厘米时，球应该能很好地漂浮，因为它内部的空气使其密度低于水的密度，就像钢船一样，它们之所以能够漂浮是因为它们通过将空气包裹在船体内部来降低了密度。只要船排开足够的水以产生强大的浮力，它就可以保持漂浮——即使它装载了货物。随着直径减小和密度增加，球应该沉没得越来越多。当其直径约为1.8厘米或1.6厘米时，您可能已经看到它被淹没了90％（几乎完全淹没）。这时，球的密度大约等于水的密度。当直径约为1.6厘米或更小时，球应该完全沉没，这表明它的密度大于水的密度，从而克服了浮力。
清理
将水倒入排水沟并回收铝箔。
更多探索阿基米德原理来自Hila Science Videos
How Stuff Works 阿基米德原理来自ORACLE ThinkQuest: 教育基金会
科学伙伴 此活动由科学伙伴合作推出