維基少年:粒子/浮或沉？

正如你從幼兒園所知，有些東西會浮起來，而另一些東西會沉下去。你也可能知道油是不可溶的（不能溶解）於水的，它會浮在水面上。你可能不知道的是如何判斷一個東西是會沉還是浮。我們將在本章中討論這個問題。

密度

首先，讓我們學習一個新詞：‘質量’。‘質量’指的是物質的多少。這與‘體積’不同。你還記得粒子之間總是存在間隙嗎？‘質量’不包括粒子之間的間隙，而‘體積’則包括。質量的單位是千克、克和毫克。

想象你身處一個封閉的房間裡，比如你的臥室。你是房間裡唯一的人，房間裡空無一物，沒有空氣。因此，你是房間裡唯一有質量的東西。如果你的房間是 1.5 米 × 2 米 × 2.5 米，你的質量是 30 千克，那麼在每個 1.5 米 × 2 米 × 2.5 米 = 7.5 立方米中，就有 30 千克。那麼，在每個平均立方米中，就有 30 千克 ÷ 7.5 立方米 = 4 千克。

記住，在你的房間裡，每個立方米平均有 4 千克。這也是房間裡的密度：密度是特定空間內的物質數量；體積通常由一個看不見的‘1’表示。那麼密度的單位是什麼？密度的單位總是由質量的單位、一個斜槓、然後是體積的單位構成。現在你可能已經推斷出密度的計算方法是質量除以體積。這個公式非常重要，所以我們把它寫下來

${\text{Density}}={\frac {\text{Mass}}{\text{Volume}}}$

注意：你也可以像在數學中一樣交換它們，以便在知道密度的情況下找到質量或體積。

浮力和沉降

這一切與浮力或沉降有什麼關係？這裡有一個古老的謎語：哪一個更重，1 公斤鉛還是 1 公斤羽毛？沒錯，它們一樣重。但是如果你把鉛和羽毛放到池塘裡呢？它們都會沉下去嗎？

實際上，不會。雖然它們的質量可能相同（1 公斤），但鉛的體積遠小於羽毛的體積。由於在較小的空間內塞入了相同的質量，因此鉛的密度必須更大。水的密度是 1 克/立方厘米，因此如果鉛的密度大於 1 克/立方厘米，它就必須沉下去。相反，羽毛的密度可能小於 1 克/立方厘米，這使得它們會浮起來。

換句話說，一個物體在某種液體（或氣體）中是會浮起來還是沉下去，取決於它們的密度與液體密度的關係。右邊的圖就是一個例子。

不幸的是，這裡需要進行一些數學運算。以下是某些液體和固體的名稱、質量和體積的表格。如果把所有這些東西都放到量筒（或任何容器）中，並且沒有任何東西溶解，它們的高度順序將如何，從上到下？

名稱	體積	質量	密度
固體 W	0.000 001 立方米	5 克
固體 X	5.4 立方厘米	1.8 克
固體 Y	300 立方毫米	1.6 克
固體 Z	5 立方厘米	0.01 千克
液體 A	24 立方厘米	96 克
液體 B	24 立方厘米	12 克
水	/	/

接下來，我們需要知道它們的密度。記住要更改單位。請注意，我們在這裡使用除法而不是分數。我們將在此處將結果四捨五入到三位有效數字。

名稱	體積	質量	密度
固體 W	0.000 001 立方米 = 1 立方厘米	5 克	5 克 ÷ 1 立方厘米 = 5 克/立方厘米
固體 X	5.4 立方厘米	1.8 克	1.8 克 ÷ 5.4 立方厘米 ≈ 0.33 克/立方厘米
固體 Y	300 立方毫米 = 0.3 立方厘米	1.6 克	1.6 克 ÷ 0.3 立方厘米 ≈ 5.33 克/立方厘米
固體 Z	5 立方厘米	0.01 千克 = 10 克	10 克 ÷ 5 立方厘米 = 2 克/立方厘米
液體 A	24 立方厘米	96 克	96 克 ÷ 24 立方厘米 = 4 克/立方厘米
液體 B	24 立方厘米	12 克	12 克 ÷ 24 立方厘米 = 0.5 克/立方厘米
水	/	/	1 克/立方厘米

然後，我們將它們按照正確的升序排列。

5 克/立方厘米、0.33 克/立方厘米、5.33 克/立方厘米、2 克/立方厘米、4 克/立方厘米、0.5 立方厘米、1 立方厘米
0.33 克/立方厘米 < 0.5 立方厘米 < 1 立方厘米 < 2 克/立方厘米 < 4 克/立方厘米 < 5 克/立方厘米 < 5.33 克/立方厘米
固體 X < 液體 B < 水 < 固體 Z < 液體 A < 固體 W < 固體 Y

由於固體 W 和固體 Y 都在底部，因此它們處於同一水平線上——它們都沉在液體 A 中。因此，正確的順序如下

1. 固體 X
2. 液體 B
3. 水
4. 固體 Z
5. 液體 A
6. 固體 W 和固體 Y

你可以參考左邊的圖，圖中顯示了一個包含所有固體和液體的容器。

氣球、船舶和潛艇

讓我們來討論一個沒有算式的主題：車輛的工作原理。

氣球

熱氣球的引擎

從前，當飛機還沒有發明的時候，唯一翱翔天際的方式就是乘坐熱氣球。熱氣球就像你在遊樂場乘坐的那些氣球一樣。它們的工作原理相同：利用密度的差異將氣球向上拋。

具體來說，是如何實現的呢？看看右邊的圖。你知道熱氣球在起飛之前必須被加熱嗎？這是因為氣球內部的粒子在起飛之初與氣球外部的粒子密度相同。但是，一旦粒子被加熱，它們就會更劇烈地運動，並且隨著它們更加頻繁地相互碰撞，它們的密度就會降低。由於密度較低的東西會浮起來，因此氣球會升起。

船舶

許多船都是用鋼鐵製成的。鋼鐵非常重，密度也很大。它的總體密度約為 7.85 克/立方厘米。然而，水的密度要低得多，為 1 克/立方厘米。因此，如果船隻僅僅由鋼鐵製成，那麼它們很難浮起來。

那麼，這些船是如何做到浮起來的呢？你看，空氣的密度非常非常低。如果船內有大量的空氣，那麼船的總密度將大大降低。只要密度低於 1 克/立方厘米，船就會浮起來。

潛艇

潛艇的工作原理與船舶類似，只是潛艇的總體密度可以隨意改變，這樣潛艇就能根據需要沉下去或浮起來。看看下面的圖。一個叫做壓載水艙的儲罐佔據了潛艇很大一部分空間。請注意，它不必像圖中那樣放置；它可以位於造船廠希望它位於的任何位置。當潛艇需要潛入水下時，壓載水艙就會裝滿海水。當它需要再次浮出水面時，海水就會被另一個儲罐中的空氣從壓載水艙中排出。

測驗

1. 解釋為什麼熱氣球在沒有火的情況下不能升起來。
2. 評估以下內容。

物質	質量	體積	密度
固體 P	15	3	a
固體 R	100	b	4
液體 H	c	15	6

答案

1. 這是因為火使氣球內部的空氣粒子振動得更加劇烈，從而降低了氣球內部的空氣密度，使其漂浮起來。
2. a) 5; b) 25; c) 90