粒子

如你从幼儿园学到的，有些东西会漂浮，而有些东西则会沉没。你可能也知道，油是不可溶于水的，它漂浮在水面上。但你可能不知道，如何判断某物会沉没还是漂浮。我们将在本章中讨论这个问题。

密度
首先，让我们学习一个新词：“质量”。“质量”是指物体的物质有多少。这与“体积”不同。你还记得粒子之间总是有空隙吗？“质量”不包括粒子之间的空隙，而“体积”则包括这些空隙。质量的单位是千克、克和毫克。

假设你在一个封闭的房间里，比如你的卧室。你是房间里唯一的物体，因此你是房间里唯一有质量的物体。如果你的房间是1.5米 × 2米 × 2.5米，而你的质量是30千克，那么在每个1.5米 × 2米 × 2.5米 = 7.5立方米的空间里，就有30千克。那么在每立方米中，将会有30千克 ÷ 7.5立方米 = 4千克。

记住，在你的房间里，每立方米中大约有4千克的物质。那就是房间里的密度：密度是单位体积中的物质量；体积通常用看不见的“1”表示。那么，密度的单位是什么呢？密度的单位总是由质量单位、一个斜杠和体积单位构成。现在你可能已经推导出，密度的计算方法是质量除以体积。这个公式非常重要，所以我们在这里列出：

密度=\(\text{质量体积} \div \text{密度}\) = \(\frac{\text{质量}}{\text{体积}}\)

注意：你也可以像数学一样交换它们的位置，以便在已知密度时计算质量或体积。

浮沉

这些与浮沉有什么关系呢？这里有一个古老的谜语：1千克的铅和1千克的羽毛，哪一个更重？对了，它们是一样重的。但如果你把铅和羽毛放进池塘，它们都会沉下去吗？

实际上，不会。虽然它们的质量相同（都是1千克），但铅的体积比羽毛小得多。由于相同的质量被塞进了一个更小的空间，它的密度必须更大。水的密度是1克/立方厘米，所以如果铅的密度大于1克/立方厘米，它就必须沉下去。相反，羽毛的密度可能小于1克/立方厘米，这使得它们漂浮。

换句话说，物体是否在某种液体（或气体）中漂浮或沉没，取决于它们的密度与液体的密度的关系。右图就是一个例子。

不幸的是，这里需要用到一些数学。以下是一些液体和固体的名称、质量和体积。如果把这些物体放入一个量筒（或任何容器中），且没有溶解，那么它们的高度顺序会是什么？从上到下。

接下来，我们需要知道它们的密度。记得要换算单位。注意，这里我们使用除法而不是分数。我们将密度四舍五入到三位有效数字。

然后，我们将它们按密度的大小顺序排列。

5g/cm³, 0.33g/cm³, 5.33g/cm³, 2g/cm³, 4g/cm³, 0.5cm³, 1cm³
0.33g/cm³ < 0.5cm³ < 1cm³ < 2g/cm³ < 4g/cm³ < 5g/cm³ < 5.33g/cm³
固体X < 液体B < 水 < 固体Z < 液体A < 固体W < 固体Y

由于固体W和固体Y都位于最底层，它们处于同一水平——它们都在液体A中下沉。因此，正确的顺序如下：

固体X
液体B
水
固体Z
液体A
固体W和固体Y

你可以参考左侧的图示，图中显示了包含所有固体和液体的容器。

气球、船只与潜水艇

接下来是一个没有数学计算的话题：车辆的工作原理。

气球

热气球的引擎

曾几何时，在飞机还未发明之前，唯一可以飞翔的方式是乘坐热气球。热气球就像你在游乐园里乘坐的那种，它们的工作原理是相同的：利用密度差异使气球上升。

它是如何工作的呢？请看右侧的图示。你知道热气球在飞行之前必须先加热吗？这是因为热气球内部的粒子刚开始时和外部的粒子密度相同。然而，一旦粒子被加热，它们的运动变得更加剧烈，互相碰撞的次数增多，导致它们的密度降低。由于低密度的物体会上升，因此气球会随之升起。

船只
许多船只是由钢铁制成的。钢铁非常重且密度大，它的总体密度大约是7.85g/cm³。然而，水的密度要低得多，只有1g/cm³。因此，如果船只完全由钢铁制成，单纯靠钢铁，船只很难浮起来。

那么，这些船是如何浮起来的呢？你看，空气的密度非常低。如果船内有大量的空气，船的总密度将大大降低。只要总密度低于1g/cm³，船就能浮在水面上。

潜水艇
潜水艇的工作原理类似于船只，不同之处在于潜水艇的总密度可以随意调整，从而使潜水艇根据需要上浮或下沉。请看下面的图示。潜水艇内有一个叫做压载舱的部分，占据了潜水艇的很大一部分空间。需要注意的是，压载舱的位置不一定像图中那样，它可以位于船体的任何位置。压载舱在潜水艇需要下沉时会充满海水。当潜水艇需要上浮时，海水会被排出压载舱，同时另一个舱室内的空气会充满其中。

测验

解释一下为什么热气球如果没有火焰就无法上升。
评估下列内容。

答案：

热气球无法上升是因为火焰使气球内的空气粒子震动得更剧烈，从而降低了气球内空气的密度，使其能够浮起。

a) 5；b) 25；c) 90