核心概念
水
密度
物理学
流体动力学
流体力学
引言
你有没有想过，一艘用钢铁制成的船是如何漂浮的？如果你把一个钢螺栓扔进一桶水里，螺栓会迅速沉到水底。那么，一艘钢船是如何漂浮的呢？更棒的是，一艘钢船如何在不沉没的情况下载运重物？这与船的密度（包括其货物）相对于水的密度有关。在这个活动中，你将用铝箔制作小“船”，来探索它们的尺寸和形状如何影响它们的载重量，以及这与水的密度有何关系。
背景
是什么决定了一个物体是漂浮还是下沉？这取决于物体的密度（单位体积的质量）与它所处的液体的密度之间的比较。如果物体的密度大于流体的密度，物体就会下沉。如果物体的密度小于流体的密度，那么它就会漂浮。
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对于一艘钢壳船来说，船体的形状决定了它的漂浮能力和承载能力。在一艘空船上，钢壳包围着一定体积的空气，船的密度等于钢壳的质量和封闭空气的质量之和，再除以船体的体积：该船之所以漂浮，是因为其密度小于水的密度。但是，当货物或其他重量被添加到船上时，其密度现在变为钢壳的质量、封闭空气的质量和货物质量之和，再除以船体的体积。如果添加的重量过多，船的密度就会大于水的密度，船就会下沉。需要赶紧将过多的货物抛到船外，否则就该弃船了！
材料
• 铝箔
• 尺子
• 胶带
• 计算器
• 废纸和笔或铅笔
• 水桶、盆、水槽或洗碗盆
• 水
• 便士。你可能需要多达 200 个，具体取决于你制作的船的大小和形状。
• 抹布或纸巾
• 干米和量杯（可选）
准备工作
• 剪下两块铝箔，使其中一块正方形的尺寸是另一块正方形的两倍。例如，你可以制作一个 30 x 30 厘米（1 x 1 英尺）的正方形，然后制作第二个 15 x 15 厘米（6 x 6 英寸）的正方形。
• 将两个铝箔正方形折叠成两个不同的船体。尽量使它们的形状相同。例如，你可以使它们都具有两个尖端（像独木舟），也可以使它们呈方形或矩形，侧面有笔直的边缘（更像驳船）。
• 对船体进行最后的修饰。确保它们没有任何泄漏。如果需要，可以使用少量胶带使它们更坚固。压平船体底部。在每个船体上，尽量确保边缘周围的边缘高度相同。你认为这为什么重要？
• 计算每个船体的体积。如果两个船体都是方形或矩形，则可以测量每个船体的长度、宽度和高度，然后将这些尺寸相乘即可得出其总体积。如果船体的某些部分具有不规则的形状，则分段测量体积，然后将这些体积相加。使用三角形来近似船体任何弯曲或成角度的区域。每个船体的体积是多少？写下来。
• 或者，你可以使用干米来计算每个船体的体积。为此，小心地用干米填充每个船体，使米与船体顶部齐平。小心不要损坏船体，将干米转移到量杯中。使用米时，每个船体的体积是多少？写下来。
• 在水桶、盆、水槽或洗碗盆中装一些水。
步骤
• 取出一个船体，小心地将其漂浮在足够深的盛水容器中，以完全淹没船体。
• 轻轻地一次添加一个便士。为防止船体倾斜，在添加便士时小心地平衡负载（从左到右，从前到后，或者如果你感觉像在航海，则从左舷到右舷，从船头到船尾）。
• 继续添加便士，直到船体最终沉没。
• 小心地取出沉没的船体，并将其和便士放在抹布或纸巾上。将多余的水倒回容器中。
• 计算一下船体在沉没之前可以支撑多少个便士（使船体沉没的便士不算数）。它可以支撑多少个便士？写下这个数字。
• 使用另一个船体重复此过程。请务必只添加干燥的便士。你认为使用干燥的便士（而不是湿的便士）为什么重要？
• 较大的船体可以支撑比小船体多得多的便士吗？
• 确保你计算出的每个船体的体积以立方厘米 (cm3) 为单位。如有必要，请转换并写下来。（立方厘米与毫升或 mL 相同。）
• 将每个船体可以支撑的便士数量转换为克。为此，将便士的数量乘以 2.5 克（一个便士的重量）。每个船体可以支撑多少克？将此数字为每个船体写下来。
• 对于每个船体，将它可以支撑的克数除以其以立方厘米为单位的体积。这大致给出了船体的密度。每个船体在沉没之前的密度是多少？你认为这与水的密度有何关系？
• 额外：在此活动中，你比较了两个不同尺寸的船体，但是你可以重复此活动，尝试更广泛的船体形状和尺寸。如果你使用形状不同的铝箔船体，你是否会得到相同的结果？你是否在结果中看到了某种模式？
• 额外：你在此活动中粗略地计算了水的密度，但是你可以使你的计算更加准确。考虑一下哪些因素影响了你的计算，开发一种更准确地确定水密度的方法，例如包括船体的重量，添加比便士小的东西来测量船体可以承受的重量，以及更准确地确定船体的体积。你的计算结果与水的实际密度有多接近？
• 额外：重复此活动，但这次使用水以外的其他液体（或半固体），例如食用油、液体洗涤剂甚至雪。（请与成年人核实，以确保你可以将家用液体用于你的活动。）确保不要使用任何危险的化学物质，例如家用清洁溶液。如果你不想使用过多的液体，可以用水稀释它，或者使用一个小容器（刚好足够容纳你的船体），并将其填充到比船体的高度略深的位置，以便船体可以下沉。其他液体和半固体的密度是多少？它们的密度与水的密度相比如何？观察结果
较大的船体是否支撑了更大的重量？两个船体在沉没前的密度是否相似，大约为每立方厘米一克，即水的密度？
当你第一次将其中一个船体放在水上时，它应该漂浮，因为其总密度小于水的密度。当你向船体添加便士时，其密度会增加，船体也会漂得更低。最终，当添加足够的便士时，船体的密度大约等于水的密度。这发生在使船体沉没的便士被添加之前。船体之所以下沉，是因为其密度最终变得大于水的密度。因此，船体在沉没之前的密度应大致等于水的密度，即每立方厘米一克。即使较大的船体可以支撑更多的重量，它也具有更大的体积，并且两个船体在沉没前的密度都应大致为每立方厘米一克。（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 克之间。可以消除的错误来源，以使你得到更接近实际水密度的答案，包括更准确地计算每个船体的体积，使用比便士小的东西，并在计算中包括船体的重量。）
清理
完成船体的测试后，请务必回收铝箔。
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此活动由以下机构合作推出 Science Buddies