维基少年:粒子/浮或沉？
正如你从幼儿园所知，有些东西会浮起来，而另一些东西会沉下去。你也可能知道油是不可溶的（不能溶解）于水的，它会浮在水面上。你可能不知道的是如何判断一个东西是会沉还是浮。我们将在本章中讨论这个问题。
首先，让我们学习一个新词：‘质量’。‘质量’指的是物质的多少。这与‘体积’不同。你还记得粒子之间总是存在间隙吗？‘质量’不包括粒子之间的间隙，而‘体积’则包括。质量的单位是千克、克和毫克。
想象你身处一个封闭的房间里，比如你的卧室。你是房间里唯一的人，房间里空无一物，没有空气。因此，你是房间里唯一有质量的东西。如果你的房间是 1.5 米 × 2 米 × 2.5 米，你的质量是 30 千克，那么在每个 1.5 米 × 2 米 × 2.5 米 = 7.5 立方米中，就有 30 千克。那么，在每个平均立方米中，就有 30 千克 ÷ 7.5 立方米 = 4 千克。
记住，在你的房间里，每个立方米平均有 4 千克。这也是房间里的密度：密度是特定空间内的物质数量；体积通常由一个看不见的‘1’表示。那么密度的单位是什么？密度的单位总是由质量的单位、一个斜杠、然后是体积的单位构成。现在你可能已经推断出密度的计算方法是质量除以体积。这个公式非常重要，所以我们把它写下来
注意：你也可以像在数学中一样交换它们，以便在知道密度的情况下找到质量或体积。
这一切与浮力或沉降有什么关系？这里有一个古老的谜语：哪一个更重，1 公斤铅还是 1 公斤羽毛？没错，它们一样重。但是如果你把铅和羽毛放到池塘里呢？它们都会沉下去吗？
实际上，不会。虽然它们的质量可能相同（1 公斤），但铅的体积远小于羽毛的体积。由于在较小的空间内塞入了相同的质量，因此铅的密度必须更大。水的密度是 1 克/立方厘米，因此如果铅的密度大于 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，这使得它们会浮起来。
换句话说，一个物体在某种液体（或气体）中是会浮起来还是沉下去，取决于它们的密度与液体密度的关系。右边的图就是一个例子。
不幸的是，这里需要进行一些数学运算。以下是某些液体和固体的名称、质量和体积的表格。如果把所有这些东西都放到量筒（或任何容器）中，并且没有任何东西溶解，它们的高度顺序将如何，从上到下？
| 名称 | 体积 | 质量 | 密度 |
|---|---|---|---|
| 固体 W | 0.000 001 立方米 | 5 克 | |
| 固体 X | 5.4 立方厘米 | 1.8 克 | |
| 固体 Y | 300 立方毫米 | 1.6 克 | |
| 固体 Z | 5 立方厘米 | 0.01 千克 | |
| 液体 A | 24 立方厘米 | 96 克 | |
| 液体 B | 24 立方厘米 | 12 克 | |
| 水 | /
|
/
|
接下来，我们需要知道它们的密度。记住要更改单位。请注意，我们在这里使用除法而不是分数。我们将在此处将结果四舍五入到三位有效数字。
| 名称 | 体积 | 质量 | 密度 |
|---|---|---|---|
| 固体 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 |
| 固体 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 |
| 固体 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 |
| 固体 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 |
| 液体 A | 24 立方厘米 | 96 克 | 96 克 ÷ 24 立方厘米 = 4 克/立方厘米 |
| 液体 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 |
然后，我们将它们按照正确的升序排列。
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 都在底部，因此它们处于同一水平线上——它们都沉在液体 A 中。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
你可以参考左边的图，图中显示了一个包含所有固体和液体的容器。
让我们来讨论一个没有算式的主题：车辆的工作原理。
从前，当飞机还没有发明的时候，唯一翱翔天际的方式就是乘坐热气球。热气球就像你在游乐场乘坐的那些气球一样。它们的工作原理相同：利用密度的差异将气球向上抛。
具体来说，是如何实现的呢？看看右边的图。你知道热气球在起飞之前必须被加热吗？这是因为气球内部的粒子在起飞之初与气球外部的粒子密度相同。但是，一旦粒子被加热，它们就会更剧烈地运动，并且随着它们更加频繁地相互碰撞，它们的密度就会降低。由于密度较低的东西会浮起来，因此气球会升起。
许多船都是用钢铁制成的。钢铁非常重，密度也很大。它的总体密度约为 7.85 克/立方厘米。然而，水的密度要低得多，为 1 克/立方厘米。因此，如果船只仅仅由钢铁制成，那么它们很难浮起来。
那么，这些船是如何做到浮起来的呢？你看，空气的密度非常非常低。如果船内有大量的空气，那么船的总密度将大大降低。只要密度低于 1 克/立方厘米，船就会浮起来。
潜艇的工作原理与船舶类似，只是潜艇的总体密度可以随意改变，这样潜艇就能根据需要沉下去或浮起来。看看下面的图。一个叫做压载水舱的储罐占据了潜艇很大一部分空间。请注意，它不必像图中那样放置；它可以位于造船厂希望它位于的任何位置。当潜艇需要潜入水下时，压载水舱就会装满海水。当它需要再次浮出水面时，海水就会被另一个储罐中的空气从压载水舱中排出。
- 解释为什么热气球在没有火的情况下不能升起来。
- 评估以下内容。
| 物质 | 质量 | 体积 | 密度 |
|---|---|---|---|
| 固体 P | 15 | 3 | a |
| 固体 R | 100 | b | 4 |
| 液体 H | c | 15 | 6 |
答案
- 这是因为火使气球内部的空气粒子振动得更加剧烈，从而降低了气球内部的空气密度，使其漂浮起来。
- a) 5; b) 25; c) 90