气球沉浮实验的原理是利用了阿基米德原理，即浸入静止流体(气体或液体)中的物体受到一个浮力，其大小等于该物体所排开的流体重量，方向垂直向上并通过所排开流体的形心。

在实验中，人们会发现放入热水中的气球沉入杯底，放入凉水中的气球浮在水面。当对调气球的位置后，仍然是热水中的气球下沉，凉水中的气球上浮。这是因为温度越高，分子间距越大，密度越小。三种物质的密度排序为：凉水＞热水＞气球。装有凉水的气球，整体密度比凉水小，比热水大，于是会在热水中下沉，在凉水中漂浮。在进行实验时，需要先往两个气球中倒入约25ml凉水（约20℃），扎紧吹气口并剪去多余部分。然后分别往两个玻璃杯中倒入大半杯凉水、温水。观察气球在两种不同温度的水中的表现。此外，还可以改变气球中的气体量来观察气球在水中的浮沉情况。实验注意事项包括：在进行实验时要小心烫伤，实验过程中需大人全程陪伴，不能让孩子单独操作，以确保安全。