核心概念
物理学
水
浮力
阿基米德原理
引言
你有没有想过为什么大多数鱼不会沉到海底或浮到水面？它们是如何在水下保持如此完美的浮力的？你可能会惊讶地听到，大多数硬骨鱼都有一个特殊的器官来帮助它们：鱼鳔。这是一个位于鱼体内、通常充满气体的薄壁囊。除了帮助鱼保持浮力外，它还可以作为声音的产生器和接收器，或作为辅助呼吸器官。想知道鱼鳔是如何工作的吗？试试这个活动来找出答案！
背景
你可能知道物体放入水中会沉或浮。在这两种情况下，水都会移开，或被排开，为物体腾出空间。一位名叫阿基米德的古希腊科学家发现了这个浮力原理。在物理学中，浮力是“向上推浸入液体中的物体的力”。如果你曾经试图将一个沙滩球推入水下，你就会感受到这种浮力。球似乎向上推回，尽管你正在向下推它！阿基米德还发现，液体施加的向上作用力的大小等于物体排开的水量。同时，排开水的体积始终与浸没物体的体积相同。这就是为什么排水法是确定不规则形状物体体积的好方法。
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物体是沉还是浮取决于哪个力更大：将物体向下拉的重力（其重量）或向上推它的浮力。如果浮力大于物体的重量，它就会漂浮在水面上。但是，如果物体的重量超过浮力，它就会沉到水底。当浮力正好与物体的重量相同时，物体具有中性浮力并保持在其水平位置。这意味着物体的密度也变得重要。致密的物体具有很大的质量，并且仅排开少量水；它们具有很大的质量体积比。如果一个物体的质量很小但排开大量水，则其密度较小，因此质量体积比也较小。密度大于水的物体会沉没，而密度小于水的物体会漂浮。
这一切与鱼鳔有什么关系？对于鱼来说，要具有浮力或漂浮，它必须排开等于或大于自身质量的水量。诀窍在于鱼鳔，它基本上就像一个充气的气球，可以根据内部气体量的多少而膨胀和收缩。当鱼鳔膨胀时，它的体积会增加，因此会排开更多的水。这会增加鱼的浮力，它会向上漂浮。当鱼鳔收缩时，鱼的浮力会降低，并且由于排开的水量减少而下沉。潜水员在他们的浮力控制装置中使用了相同的概念。
材料
小玻璃瓶
可放入瓶内的气球
塑料管（至少 30 厘米或 12 英寸长）
大型防水且最好是透明的桶或容器（它应该有足够的空间，以便玻璃瓶可以在其中自由漂浮。）
坚固的防水胶带
水
毛巾
准备工作
找到一个可以承受水溅的工作空间。
将管子的一端穿过气球的开口，然后用胶带将气球和管子粘在一起，形成密封。之后，你应该能够通过管子吹气来给气球充气。确保气球和管子之间的连接是气密的。
将气球放入玻璃瓶内，并将管子粘到瓶口上。
往桶里注水。
步骤
将装有气球的瓶子放入桶中。保持管子的另一端在桶外。当你把瓶子放入水中时会发生什么？它是漂浮还是下沉？为什么？
小心地对着管子吹气，使瓶子内部的气球稍微膨胀一点。稍微给气球充气会改变瓶子的漂浮状态吗？
继续给气球充气，直到它几乎充满整个瓶子。当你给气球充气越来越多时会发生什么？你能解释你的观察结果吗？
接下来，让气球放气。这如何改变瓶子在水中的位置？
玩一下给瓶子内的气球充气和放气。你能找到瓶子内部气球大小与后者漂浮状态之间的相关性吗？
额外：尝试使用不同类型的瓶子或气球来模拟不同大小的鱼。它们都给你相同的结果吗？如果你把一个小气球放在一个非常大的瓶子里，或者反之，会怎么样？
额外：用塑料瓶代替玻璃瓶，这个活动也有效吗？为什么？测试一下就知道了！
观察和结果
你能看到你制作的东西如何类似于鱼吗？玻璃瓶模仿鱼的身体，气球代表其体内的鱼鳔。当你把瓶子放入桶中时，它应该会充满水并沉到水底。这是因为装满水的玻璃瓶的重量大于将其向上推的浮力。当你给气球充气时，这种情况会改变；当它膨胀时，它会将水从瓶子中排出。你现在在瓶子里有一个充气的气球。由于空气比水轻得多，当气球充满更多空气时，瓶子的重量会减轻。瓶子最终会变轻，因此向下推的力量弱于将瓶子向上推的浮力。此时，瓶子将开始向上漂浮到水面。
当你再次给气球放气时，情况会相反——由于水流回瓶子，瓶子会变重，并且开始下沉。你可能已经注意到，这个活动用塑料瓶效果不太好。这是因为塑料本身的密度小于水，倾向于漂浮，而玻璃的密度大于水，因此会下沉。
清理
将管子从瓶子和气球上拆下，并用毛巾或纸巾擦干所有溅出的水和材料。
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