课程实施过程
（一）项目启动
1.国外成功案例介绍
（1）美12岁女孩自制高空气球将凯蒂猫（Hello Kitty）送上近太空。
美国12岁女孩劳伦·罗哈斯自制了简单气象气球，气球下端连接着搭载“Hello Kitty”玩具的“载猫火箭”。气球带着“Hello Kitty”玩具上升到了28.5km高的平流层，并由设置在火箭上的摄像机记录下整个升空过程。这段凯蒂猫太空旅行的视频在社交网站上获得追捧。
（2）英国一名男子使用普通数码相机和一个氦气球拍摄出了超凡脱俗的地球太空图片，令美国宇航局也叹为观止（图5—44）。这名来自英国西约克郡的太空爱好者叫罗伯特·哈里森。他将自制的奇妙装置从家里后花园升上地球上空35km的地方，然后进行拍摄。
据了解，哈里森曾试图使用遥控飞机来拍摄自家房子的天空俯视图，但是失败了。那时起，他便萌生了探索太空的想法。在网上详细了解了高空探空气球后，他于2008年10月制作了首个迷你“航空器”。这个航空器拍摄到了地面上空跨1609km范围的图片，展现了地球的圆弧。随后他又往太空发出了12个“太空舱”。
图5—44 使用普通数码相机和一个氦气球拍摄出了超凡脱俗的地球太空图片
清华附中兴趣小组在第一次项目启动课上，以讲座的形式介绍国外利用气球拍摄地球的相关视频和实验情况。关于课程计划与目标，我们只告诉同学们，我们的目的是“到30km高空拍摄地球，并成功回收获得视频”，剩下的问题全部留给学生。例如，怎样达到30km的高度，30km高空与地面有哪些不同，怎样进行摄像，如何回收我们的摄像机，在高空会遇到什么样的情况等。我们希望学生自己首先提出可能会遇到的问题，然后自己去想办法解决，最后达到我们需要的结果。
2.课程实施前讨论
我们需要准备些什么？我们会遇到哪些问题？学生们经过第一次的讨论大致的得出了下面四个最基本的问题：
（1）如何让气球载着摄像设备升到高空。
（2）如何让升到一定高度的摄像设备落下。
（3）如何保证摄像设备能够一直摄像，什么因素会导致摄像设备停止工作。
（4）如何回收我们的摄像设备。
（二）课下学习
为了提高效率，对于该项目所需要的基本知识方面我们要求学生利用网络、在线学习资料对所需知识进行学习，根据实验预习报告和考核试题对学生所学情况进行考核和评估。这样学生就会带着问题去学习，有目的地学习，让学习生动起来。这样，一方面激发了学生学习的兴趣，另一方面也是尝试将课本知识与项目研究相结合，让学生在做项目的同时也能够掌握课本上要求的知识。
为了引导学生进行有实效的课下学习，我们将完成项目所需要的各部分知识罗列出来，引导学生在课下通过各种途径学习，完成实验预习报告和考核试题。
1.学习资料及要求
1）力学部分
迄今为止，有3个著名的苹果对人类历史产生了重大影响，第一个诱惑了夏娃，第二个砸醒了牛顿，而第三个被乔布斯变成了电脑和手机。
艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton，1643年1月4日—1727年3月31日）是人类历史上出现过的最伟大、最有影响力的科学家之一，同时也是物理学家、数学家和哲学家。他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”，并奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。
2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查。在被调查的皇家学会院士和网民投票中，牛顿被认为比爱因斯坦更具影响力。这恐怕是有一定原因的——牛顿曾经说过：“如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩上。”而当代的相对论（研究当物体速度接近光速时的物理规律）和量子力学（研究物体非常小到接近原子时的物理规律）虽然颠覆了传统的牛顿力学，但同样是站在了牛顿力学的肩膀上。何况牛顿做的贡献还包括光学（色彩理论和反射望远镜）、数学（微积分和牛顿求根法）。
（1）为什么物体会运动？
经典力学有以下三个分支：
① 静力学，研究静止物体的受力情况，比如楼房的建造。
② 运动学，研究物体的运动，比如炮弹的轨迹。
③ 动力学，研究物体在受力作用下的运动，比如飞机的飞行。
这三个分支在牛顿之前就已经有许多人在研究，但研究得出的理论往往并不是那么正确。活在阿基米德100年前的希腊伟大的哲学家和科学家亚里士多德就曾经认为物体越重落得越快（这似乎没有他在生物学上的错误更大，他认为人的大脑是用来给血液散热的）。直到2000年以后才由意大利的科学家伽利略（Galileo Galilei， 1564年2月15日—1642年1月8日）跑到比萨斜塔做了著名的双球下落实验，才能够证明亚里士多德是错的。
人们盲目相信亚里士多德2000多年是有一定的原因的。其中一个是，亚里士多德虽然在这几个地方犯下了错误，但是如果真要论科学史谁的贡献范围广，牛顿还比不上他。亚里士多德是著名的哲学家柏拉图最得意的学生，柏拉图又是哲学家苏格拉底最得意的门生。这两位老师是西方哲学鼻祖级人物。但是亚里士多德不仅仅是一个非常厉害的哲学家，他还在以下领域是千年以来绝对的鼻祖和权威：数学、物理学、化学、地理学、气象学、天文学、植物学、动物学、心理学、社会学、政治学、教育学、语言学、美学、诗词与音乐研究、逻辑学、神学当然还有哲学。当然这些工作不只是他一个人完成的，他门下有千名弟子为他做研究，还有人去偏远的地方采集珍稀物种。他写的著作加起来就是一部百科全书，现存保留的只有当年的三分之一左右，里面有许多结果到了后来才被证明有误，而有的则到现在都有价值。千年以来人们实在是太膜拜他了，不论是信宗教的还是不信的，甚至伽利略公开反对他在当时是非常大逆不道、冒着生命危险的。所以当牛顿说他站在巨人的肩膀上时，亚里士多德是其中个头最大的一个。到了17世纪左右，亚里士多德这个权威终于倒下，人们开始重新审视他说说过的每一句话。
另外一个人们相信他的原因是，他所得出的许多结论似乎在直觉上是没有问题的。
亚里士多德认为物体运动是因为有力的作用。比如，一匹马拉一辆车子，当马不用力之后车子就停下来了，当马用力之后车子就前进了。如果你也是这么认为的，下面你所要学的将会彻底改变你的世界观。
图5—45 冰车假想实验
（2）冰车假想实验和动量。
请想象一个场景：在一个寒冷的冬天，在一块非常非常平整和光滑的冰面上，一个5岁穿着羽绒服的小男孩坐在一个冰车上（图5—45）。这时候他的父亲使劲推他一下，冰车前进了，孩子在向前运动。谁在推孩子前进（什么力）？有以下几种可能：① 孩子的父亲；② 冰车本身；③ 冰；④ 风；⑤ 惯性（力）。
①是不对的，因为孩子的父亲已经松手了，而恐怕他没有隔空推物/取物的能力。②也是不对的，因为它无法解答冰车是谁推动的。③也是有问题的，因为如果静止站在冰上并不会受到横向的力。④在原本无风的情况下，迎面来的风应该是阻止冰车前进的，这个力的方向不对，而如果在真空中，冰车应该滑行的更远。⑤则听起来有点意思（提前透露一下，其实是有问题的）。我们假设孩子的父亲将他的推力传到了孩子身上，形成一种不断拉孩子前进的“惯性力”，就像汽车急刹车时似乎有一个无形的手（所谓“惯性力”）在推你前进，或者是愤怒的小鸟脱离弹弓后还继续往前飞。这个理论在14世纪成为一个流行的解释（又称为“冲力”）。那么先让我们姑且认为有这样一种“力”（甚至忽略谁是施力物体这个非常令人为难的问题）。
我们在这个冰车的基础上继续做试验。这个冰车之上有一个电风扇，可以向任何方向吹风。如果向后吹，这个冰车速度变快，如果向前吹，这个冰车速度变慢。这意味着，“惯性力”可以被这个电风扇所提供的推力改变。而且当冰车速度越快，这个“力”的大小越大；当冰车静止不动时，这种“力”彻底消失。而假设外界对冰车没有施加任何力，那么这种“惯性力”则一定不改变。
当父亲推完孩子之后，并没有一种“惯性力”，而是给了孩子一种前进的状态。这种状态在冰车速度为零时是零，与冰车总重量、速度有关，而且外力会改变这个状态量。还有一点是，这个状态量不是一个简单的数量（称为“标量”），而是一种有方向的量（称为“向量”）。这个量称为动量，而外力会改变动量。
动量：P = mv（m2/s）
为什么我们说动量不是一种力呢？这就类比于银行的存款和存取款的操作。动量类似银行里钱的当前数量，而力则是存钱或者取钱。假想我们撤去所有的外力（纳税和利息），那么动量就应该不改变。甚至当父亲和孩子同样在冰车上推彼此的时候，就相当于两个银行账户无手续费地转账——你们两人的动量数值一样，方向相反。
再重复一遍：动量是一个有方向状态量，而力则是导致这个状态量变化的原因。
那么假如我们在这块冰上转一个陀螺，如果外界不干扰它（无空气阻力，无摩擦），这个陀螺也会一直转下去。这回可以理解，应该没有一种神奇的力在转这个陀螺，而是陀螺本身有一个与转动相关的量，这个量称为角动量。
回到我们最原始的冰车实验。离开父亲的助推之后孩子之所以前进，并不是因为有一股神奇的力在拽他前进，而是因为他拥有了一定的动量，而这个动量如果没有外力影响，就会一直不变。
这个实验如果放在外太空去做，就更容易看出这样的实验结果。
动量在没有外力（或者合外力为零）的情况下不变，这个定律被称为动量守恒。
（3）牛顿第一定律与惯性。
牛顿的第一定律：物体会保持其静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使改变其状态。这定律又称为惯性定律。
既然力无法改变物体的质量（至少对于牛顿力学而言），而动量刚才我们指出来是守恒的，那么牛顿第一定律就很容易证明了。这说明物体位置的移动并不意味着受力，速度的改变（包括大小和方向）才是因为受力。所有的物体都有维持现状的一种惯性，而需要力来改变这种惯性。
现在我们来重新看几个之前提到的例子。父亲将冰车推出去之后，冰车继续行驶。其之所以继续运行是因为惯性让它的速度维持不变，而其减速是因为空气阻力和冰车与冰面上的摩擦。假设没有这些摩擦和空气阻力，冰车就会一直继续匀速前进——直到撞到另一个冰车或者河岸的石头。
公交车急刹车的时候，人并不是受到了向前的推力，而是受到了地板和扶手向后拉的力（就如同站在一个地毯上，而后面有人拉这个地毯）。我们之所以感觉我们受到向前的力，是因为我在公交车里面把公交车作为参照系。如果我们正看着窗外，我们会意识到其实是汽车把我们向后突然一拉（所以同学们乘公交车一定要抓好扶手）。
愤怒的小鸟被弹弓以斜45°弹出去之后（小鸟不会飞的情况下），应该是继续以45°往前飞，但是重力把小鸟给拉向了地面，导致其飞行轨迹形成了优美的弧线（数学上这个被称为抛物线），重重地砸向了可怜的小猪。
而实际飞行的鸟，则是通过翅膀产生向下的力与重力抵消，才能够维持飞行高度不变。
由于日常生活中充满了摩擦和空气阻力，而且当时的测量工具精度有限，所以亚里士多德并没有能够发现牛顿第一定律（否则就叫亚里士多德第一定律了）。
牛顿定律对于亚里士多德的世界观产生了巨大的冲击。亚里士多德认为，树上的苹果下落是因为苹果“想”回到地面，烟囱里的烟上升时因为“烟”想回到天空。而牛顿则认定一切运动的变化的根本来源都是因为力，但（匀速）运动本身不需要力来维持。
是否会存在牛顿定律被推翻的时候呢？答案是确定的。
当代科学发现，相比较牛顿第一定律动量守恒是更为根本的定律，甚至在相对论（比如电磁波）、量子力学（比如电子）和弦论（比如黑洞）里都是成立的。牛顿第一定律则适用范围有限，与宇宙本身的时空结的对称性有密切关联。
那么会不会有新的发现证明动量守恒理论是不对的呢？科学精神告诉我们，这一切并不取决于我们的臆想而取决于实验。再伟大的理论和权威都可以被实验所推翻（前提是实验没有出问题）。
（4）力的合成与向量。
下面要宣布一个骇人听闻的消息：牛顿第一定律是毫无意义的。
为什么呢？牛顿第一定律的条件是当物体不受外力，但天底下有不受外力的物体吗？
只要物体在地球上，就会受到引力。如果拿到太空中，还是会受到地球的引力，只是更弱一些。不仅会受到地球的引力，还会受到太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星还有各种陨石彗星（这还没计算银河系和银河系之外其他星系）的引力。除此以外，太阳辐射的阳光会照射在物体上产生非常微小的力（光也是有动量的），还有高能粒子（太阳风）不断撞击这个物体。而并没有任何装置可以屏蔽引力。这意味着牛顿第一定律是不可能严格适用的。
那么牛顿第一定律就完全无意义了吗？不是的。
首先，物理中很重要的一个方法是需要分清主要和次要因子。当一个物体悬浮在远离任何星体的太空的时候，我们几乎可以忽略各种外力而认为物体是匀速/静止的。
其次，在整个宇宙里，并没有某一个地方是特别的，这就是相对论的精髓。也就是说，总可以找到一个参考物，相对这个参考物牛顿第一定律永远是成立的。这个参照系被称为惯性参考系。怎么找呢？广义相对论告诉我们一个非常简单的办法，那就是任何自由下落的参考系都是惯性参考系。也就是说在宇宙中自由飞行的飞船里所做的实验，或者是自由下落的电梯里，可以发现飞船（或电梯）里面相对飞船（或电梯）的所有物体都是符合牛顿第一定律的。（此段落没读懂的话可以随意跳过。）
而最重要一点是，力是一种矢量（向量）。向量有一个非常优美的合成公式（平行四边形法则）：那就是任意向量相加，可以等效于一个（原本并不存在的）向量。如果几个力共同作用在物体上产生的效果，与一个力单独作用在物体上产生的效果相同，则把这个力称为这几个力的合力，而那几个力称为这一个力的分力。合力与分力是一种等效代替关系。
为了简化物理中的计算，我们假设物体的大小无穷小，质量集中在无穷小的这个点上。这种简化后的物体被称为质点。这种简化是为了避免出现力导致物体转动的情况（如果要研究转动，则需要采用一个称之为刚体的一种更复杂的简化方式）。
如果质点的合外力为零，牛顿第一定律同样是成立的。
平行四边形法则：求两个互成角度的共点力的合力，可以用表示这两个力F1、F2的线段为邻边作平行四边形，这两个邻边之间的对角线就表示合力F的大小和方向。
我们接下来并不需要求复杂的受力情况，所以我们只需要知道：当两个力的方向相反（即两个力成180°），其合力最小（为两者之差，方向随更大的那个力）；反之（即是两个力成零度）最大（为两者之和，方向与两者相同）。
例5—1桌子上放的一杯水，水里有一个冰块。
对杯子做受力分析。杯子受到了自身的重力、水的压力和桌子向上的支持力。两者大小相等、方向相反。
对冰块做受力分析。冰块受到了水的浮力和本身的重力。两者大小相等、方向相反。
好像缺点什么？杯子难道不受到冰块的力吗？问题是冰块并未与杯子接触，这种力完全通过水传导。
好像还缺点什么？杯子是不是还有空气中的浮力呢？或者是太阳、月亮对杯子的引力。杯子随着地球自转和公转，其实在宇宙中做的不是匀速直线运动或者是静止。这些并不是最主要的力。对于这种情况，我们完全可以忽略。如果向月球发射探测器，则需要精度非常高，考虑200多项不同的因素，那是另一回事。
例5—2行驶在平缓的水平公路上的汽车匀速前进。
对汽车做受力分析。汽车受到了竖直向下的重力和垂直向上的支持力。横向则有空气阻力和轮胎与地面的摩擦力。其中重力与支持力方向相反大小相等（除非汽车飞起来），而轮胎与地面产生的向前的摩擦力与空气阻力大小相等、方向相反。当然实际情况是汽车有四个轮子，而且路面可能并不平整，需要每个轮子单独分析（那就不是质点了）。
如果驾驶员技术不太好，一不小心撞树了。那么在撞树的一瞬间，汽车不再做匀速运动，而是减速运动。汽车里面的人则是因为惯性继续要做匀速运动，如果忘记系安全带就很不好玩了。
（5）牛顿万有引力与苹果树。
牛顿并没有发现重力，所有人都知道物体有重力，苹果从树上掉下来而不是像气球一样飞起来。那么那个著名的苹果到底砸醒了牛顿什么呢？
这个需要介绍一下历史背景。哥白尼已经提出过日心说了，伽利略也给出了观测结果带来的证据，地心说已经开始被动摇了。丹麦天文学家第谷花了一辈子的时间研究恒星与行星的运动并把结果交给了德国科学家开普勒。结果开普勒数学比第谷好很多，厚厚一册的行星数据竟然被开普勒总结为三个定律（开普勒三定律），发表于1621年的《哥白尼天文学概要》。牛顿当然是知道开普勒三定律，并且数学比开普勒更好，甚至能够根据开普勒第三定律算出行星与太阳之间的力与距离成反比。这个结果让他困惑了很久，其物理含义是什么呢？
直到他被苹果砸中（或者是看到苹果落地），他才突然意识到，难道苹果落地的力和太阳吸引行星的力是同一种？
这在当时是大逆不道的想法，毕竟天上的行星是由神主宰的，甚至被人们赋予预言未来的能力（虽然现在还有许多人这么认为），而牛顿则指出来，这些星星其实就跟齿轮和螺钉一样，符合着非常简单的物理规律，而且地上的物理规律与天上没有差别。毕竟地球在吸引苹果和吸引月亮方面都是一种远程不需要接触的引力。
然而他很快就拿着数据计算出来，确实地上的重力与天上的引力就是同一种力，甚至都能精确计算出引力的系数。
万有引力定律：F万有引力=G0m1m2/R2 G0=6.67×10—11 N·m2/kg2
这个定律的发现显然给牛顿本人非常大的冲击，受到宗教教育的他无法接受宇宙像一个机器一样运行，于是在他后半生他不再研究物理，而是力图证明，即便整个宇宙都是以一种科学规律运转，但上帝仍然是幕后英雄。
甚至到现在，我们也说不清宇宙是怎么产生的，我们知道有限年前，曾经发生过一次非常强大的大爆炸，空气阳光雨水，我们的一切都是这个爆炸的产物。然而这个是谁引爆的，这个引爆之前又发生了什么，是否还有别的宇宙，目前我们一概没有答案。
同样，万有引力定律并没有告诉我们，为什么衡量惯性的质量与产生引力的质量是同一个东西，这个只有等到百年以后爱因斯坦才能过解答。
例5—3地球的半径是6378.1km，地球密度是5.513g/cm3，把地球当作一个球形来看，球的体积V=4/3πR3带入万有引力公式
G=6.67×10—11×4/3×5.513×3.1416×6378×106=9.8（N/kg）
例5—4“神舟九号”火箭重达500t，飞行速度达到7km/s，考虑火箭与地球这个系统动量守恒，地球的质量是5.98×1021 t，由于发射“神舟九号”，导致地球速度改变了365×24×60×60×500/（5.98×1021）=18nm/a，不到100个原子的直径。而所有人在地球上同一刻全部跳起来对于地球公转的影响同样是可以忽略不计。
（6）大气压力与马德堡半球。
吸管可以让人们更方便地喝到冰镇饮料，但为什么能够吸饮料呢？是因为真空中有一种吸力吗？当时物理学家认为，大自然憎恶真空。后来，伽利略的学生意大利的物理学家托里切利发现水泵无法将水引到10m以上的楼房。换句话说，如果你有一根长达10m的吸管，你再怎么使力吸也无法将可口的饮料吸上去。进一步说明，“吸力”是有限的——难道是因为别的原因？
托里切利用一句话非常精辟地概括了原因：“我们生活在空气之海之底。”
也就是说，在我们所生活的上空里有一个空气之海，这个空气之海对每一个人都施加一定的压力——而这个压力等同于这么多气体产生的重力，近似于10m水对于同一块面积产生的重力。
但最早发现大气压的并不是托里切利，而是德国马德堡市的市长。他将两个半球对接起来，将其抽至真空，然后用12匹马都没有将两个半球拉开。
这个实验并不是测量大气压力很好的尝试，甚至如果每次采取不同大小的铁球，会有不同的结果。我们需要引入一个全新的物理量——压强（图5—46）。
图5—46 测量大气压强
压强 P = F压力/单位面积=G重力/单位面积 = ρgV/S = ρgh
当ρ和g不变时，可以将体积V展开为面积S乘以高h实际大气并不是密度不变的，所以无法拿这个公式算大气层的高度。
最后托里切利采用水银气压计第一次精确测量了大气压强P=76cmHg（大气压可以托起76cm的水银）=101325Pa（Pa=N/m2）。
例5—5为什么空气中一张白纸不会被压垮呢？这是因为大气压（液体中一样）并不是只存在向下的力，而是同样有向左向右向上向四面八方的力。白纸向下虽然有上千牛的力，但向上也有上千牛的力，这两个力恰巧抵消。如果白纸的一端是大气压，另一端则是真空，而且纸张不透空气，那么这张原本平展的白纸就无法再平展了。
例5—6海洋最深处是日本东边的马里亚纳海沟，深度达到11000m，放进一个珠穆朗玛峰都绰绰有余，如果将海底的一条鱼带到陆地上，由于海底这条鱼在深海处需要抵抗1100倍标准大气压，也就是这个在岸上会爆炸的鱼每平方厘米有1.1t向外的力。
（7）阿基米德与阿基米德原理。
曾经有一个人说“给我一个支点，我将撬动地球”，说这大话的就是阿基米德。
阿基米德是古希腊哲学家、数学家、物理学家。
阿基米德的父亲是位天文学家和数学家，所以他从小受家庭影响，十分喜爱数学。大概在他九岁时，父亲送他到埃及的亚历山大城念书，亚历山大城是当时西方世界的文化中心，学者云集，文学、数学、天文学、医学的研究都很发达，阿基米德在这里跟随许多著名的数学家学习，包括著名的几何学大师——欧几里得，奠定了他日后从事科学研究的基础。
在经过许多年的求学历程后，阿基米德回到故乡叙拉古。回国后的阿基米德受到国王的礼遇，经常出入宫廷，并常与国王、大臣们闲话家常或畅谈国事。在这种优裕的环境下，阿基米德做了数十年的研究工作，并在数学、力学、机械方面取得了许多重要的发现与成就，成为上古时代欧洲最有创建的科学家。
据说阿基米德经常为了研究而废寝忘食，走进他的住处，随处可见数字和方程式，地上则画满了各式各样的图形，墙上与桌上也无法幸免，都成了他的计算板，由此可知他旺盛的研究精力。
真假皇冠。国王知道阿基米德惊人的研究精神，出了一个难题让阿基米德去解决。原来国王请金匠打造了一顶纯金王冠，做好了以后，国王怀疑金匠不老实，可能掺了“银”在里面，但是又不能将王冠毁坏来鉴定。怎样才能检验王冠是不是纯金的呢？这可是个伤脑筋的问题。阿基米德想了好久，一直没有好方法。这个难题让阿基米德回家苦思了几天，吃不下饭也睡不好觉。
有一天，他在洗澡的时候发现，当他坐在浴盆里时水位上升了，这使得他想到“上升了的水位正好应该对应王冠的体积，所以只要拿与王冠等重量的金子，放到水里，测出它的体积，看看它的体积是否与王冠的体积相同，如果王冠体积更大，这就表示其中造了假，掺了银。”果然经过证明之后，王冠中确实含有其他杂质，阿基米德成功地揭穿了金匠的诡计，国王对他当然是更加地信服了。
阿基米德浮体原理与平均密度。阿基米德浮体原理（或直接称为阿基米德原理）是阿基米德发现的一个原理说，浸在流体中的物体（全部或部分）受到向上的浮力，其大小等于物体所排开流体的重量。
F浮力= G排开液体
当物体上浮时，浮力大于物体的重力，当物体飘浮或悬浮时，浮力等于重力；但当物体处于下沉状态时，浮力小于重力。
当流体密度大于物体密度时，物体上浮；当流体密度等于物体密度时，物体漂浮或悬浮；当流体密度小于物体密度时，物体下沉。
例5—7潜水艇可以将水灌入自身的蓄水仓或者用潜水艇内的高压空气将蓄水仓内的海水排出（图5—47），也就是潜艇可以自由地改变其平均密度ρ=（M舱内+M潜水艇）N潜水艇。
图5—47 潜水艇工作原理
当舱内灌水，ρ大于海水的密度1.02g/cm3时，潜艇会下沉。当舱内用气将水排出，ρ小于海水的密度1.02g/cm3时，潜艇会上浮。而平时则控制让ρ保持与海水的密度相同。
例5—8人在空气中也是受到浮力的（空气的密度大约为0.0015g/cm3），但是人的密度是1.06g/cm3，这意味着一个体重40kg的儿童受到的浮力是40/1.06×0.0015（kg）=0.056（kg）远远低于这个孩子的重力，显然我们也确实无法像气球那样飘起来。
死海是世界上最低的湖泊，湖水盐度达300g/L，为一般海水的8.6倍，密度则是1.2g/cm3，这意味着人到了死海就算不会游泳也可以漂浮在水面。
为什么物体会漂浮？阿基米德所发现的漂浮原理告诉我们当一个物体的平均密度小于它所处的流体时会飘起了，但并没有解释为什么，甚至我们并不知道为什么物体有重力会下降。
阿基米德原理：浸在流体中的物体受到向上的浮力，其大小等于物体所排开流体的重量。
平均密度与沉浮：当物体的平均密度小于流体的密度，就不会漂浮；反之则会漂浮。这是因为自身的重量是ρ物体V物体，而在流体中，这个物体受到的浮力则是ρ流体V物体。（实际到后面我们会发现这个公式中还缺一个与引力有关的常数，但不影响使用）
假设有一个立方体的物体放入了空气中，我们可以发现其横向的所有表面上的压力都是一样的，但是其上下表面的压力是不等的。上表面的压力是ρ气gh0，下表面压力是ρ气gh1，虽然我们不知道h0和h1是多少，但我们知道h0— h1高度h，那么压力差乘上底面积S，我们就得到空气对于这个物体施加的力F = ρ气ghS = ρ气gV = 排出的气体的体积，原来这就是浮力的来源。
浮力的来源并不是什么神奇的吸力，而是来源于物体浸在了流体中，而流体想占据这个物体的空间，给这个物体向下的压力没有向上的压力大，压力的差值导致物体受到向上的浮力。这也就是说，物体在真空中并不能够受到浮力。
例5—9桌子上有一杯水，水中放入一个质量m的冰块和一个质量M的铁块之后，求桌子对杯子的支持力增加了多少。
我们预期答案应该是（m + M）g，毕竟这个桌子多支撑了这么多物体。但我们还是要计算一下。假设杯子的底面积是S，由于加了冰块（浮在水面，所以排水体积对应冰块重力），我们知道冰块排水量V冰 = gm / ρ水g = m / ρ水，而铁块的排水量则是铁块本身的体积M/ρ铁。水面上升导致水面上升h = m/ρ水/S + M/ρ铁/S，水增加的压力F水 = ρ水ghS = （m + Mρ水/ρ铁）g，而铁块对于杯子底的压力正好是其重力—浮力N = Mg—Mgρ水/ρ铁，将两项相加，正好就得到F =（m + M）g。
例5—10北极下面并没有陆地，而是冰浮在水的表面，南极的冰川则是下面有大陆架，问海平面升高是因为北极还是南极冰雪融化。
由于全球变暖，北极的冰融化成水之后，由于冰原先是漂浮在水面之上的，所以其所排出的水和融化之后产生的水恰巧是一样多的，并不影响海平面的上升，但南极冰川融化之后，水是直接增加到海水中的，所以海平面上升并不是由于北极冰川融化而是由于南极冰川融化。
例5—11氦气球在上浮的过程中，一开始做加速运动，后来逐渐做匀速运动，假设氦气球球皮重m，体积为V，而空气阻力是速度的k倍，氦气密度是ρ氦，空气密度是ρ气，问气球最终速度是多少。
气球最终匀速运动时，上升的浮力 = 重力 + 空气阻力。那么可以计算出空气阻力应该是：f =［（ρ气—ρ氦）V—m］g，而速度则是v =［（ρ气—ρ氦）V—m］g/k。
2）热学部分
热量从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低部分的方式称为热传导。物体或系统内的温度差，是热传导的必要条件。或者说，只要介质内或者介质之间存在温度差，就一定会发生传热。热传导速率决定于物体内温度场的分布情况。
热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一个系统的现象称为传热。热传导是三种传热模式（热传导、对流、辐射）之一。它是固体中传热的主要方式，在不流动的液体或气体层中层层传递，在流动情况下往往与热对流同时发生。
热传导实质是由物质中大量的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。在固体中，热传导的微观过程是：在高温部分，晶体中结点上的微粒振动动能较大；在低温部分，微粒振动动能较小。因微粒的振动互相作用，所以在晶体内部热能由动能大的部分向动能小的部分传导。固体中热的传导，就是能量的迁移。
在导体中，因存在大量的自由电子，在不停地做无规则的热运动。一般晶格振动的能量较小，自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。所以一般的电导体也是热的良导体。在液体中热传导表现为：液体分子在温度高的区域热运动比较强，由于液体分子之间存在相互作用，热运动的能量将逐渐向周围层层传递，引起了热传导现象。由于热传导系数小，传导的较慢，它与固体相似；不同于液体，气体分子之间的间距比较大，气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞，在气体内部发生能量迁移，从而形成宏观上的热量传递。
（1）热的导体。各种物体都能够传热，但是不同物质的热传导性能不同。容易传热的物体称为热的良导体，不容易传热的物体则称为热的不良导体，金属都是热的良导体。瓷、木头、竹子、皮革、水都是不良导体。金属中最善于传热的是银，其次是铜和铝。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物质。石棉常作为绝热材料。液体，除了水银外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。
（2）导热系数。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K（或℃），在1s内，通过1m2面积传递的热量，单位为W/（m·K）（此处为K也可用℃代替）。
导热系数仅针对存在导热的传热形式，当存在其他形式的热传递形式时，如辐射、对流和传质等多种传热形式时的复合传热关系，该性质通常被称为表观导热系数、显性导热系数或有效导热系数。
此外，导热系数是针对均质材料而言的，实际情况下，还存在多孔、多层、多结构、各向异性材料，此种材料获得的导热系数实际上是一种综合导热性能的表现，也称为平均导热系数。
不同物质导热系数各不相同；相同物质的导热系数与其结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。同一物质的含水率低、温度较低时，导热系数较小。一般来说，固体的导热系数比液体的大，而液体的又比气体的大。这种差异很大程度上是由于这两种状态分子间距不同所导致的。现在工程计算上用的系数值都是由专门试验测定出来的。
理论上，从物质微观结构出发，以量子力学和统计力学为基础，通过研究物质的导热机理，建立导热的物理模型，经过复杂的数学分析和计算可以获得导热系数。但由于理论的适用性受到限制，而且随着新材料的快速增多，人们迄今尚未找到足够精确且适用于范围广泛的理论方程，因此对于导热系数实验测试方法和技术的探索，仍是物质导热系数数据的主要来源。
固体是由自由电子和原子组成的，原子又被约束在规律排列的晶格中。相应地，热能的传输是由两种作用实现的：自由电子的迁移和晶格的振动波。当视为准粒子现象时，晶格振动子称为声子。纯金属中，电子对导热贡献最大；而在非导体中，声子的贡献起主要作用。
常用的固体导热系数见表5—12。在所有固体中，金属是最好的导热体。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低。而金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳量为1%的普通碳钢的导热系数为45W/（m·K），不锈钢的导热系数仅为16W/（m·K）。
表5—12 常用固体导热系数
（3）保温材料。通常把导热系数较低的材料称为保温材料［我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/（m·K）的材料称为保温材料］，而把导热系数在0.05W/（m.K）以下的材料称为高效保温材料。
导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。例如，锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温差（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为1～3mm）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。
一般把导热系数小于0.2W/（m·K）的材料称为保温材料，例如石棉、珍珠岩等。
① 硅酸铝保温材料。硅酸铝保温材料又名硅酸铝复合保温涂料，是一种新型的环保墙体保温材料。硅酸铝复合保温涂料以天然钎维为主要原料，添加一定量的无机辅料经复合加工制成，是一种新型绿色无机单组分包装干粉保温涂料，将保温涂料用水调配后批刮在被保温的物体表面，干燥后可形成一种微孔网状具有高强度结构的保温绝热层。
弥补了传统的墙体保温涂料中存在的吸水性大，易老化体积收缩大，容易造成产品后期强度低和空鼓开裂降低保温涂料性能等现象，同时又弥补了聚苯颗粒保温涂料易燃、防火性差、高温产生有害气体和耐候低、反弹性大等缺陷。硅酸铝复合保温涂料是墙体保温材料中安全系数最高、综合性能和施工性能最理想的保温涂料，可根据不同介质温度抹最佳经济厚度，性价比高于同等性能保温材料。
② 酚醛泡沫材料。酚醛泡沫材料属高分子有机硬质铝箔泡沫产品，是由热固性酚醛树脂发泡而成，它具有轻质、防火、遇明火不燃烧、无烟、无毒、无滴落，使用温度范围广（—196～200℃），低温环境下不收缩、不脆化，是暖通制冷工程理想的绝热材料，由于酚醛泡沫闭孔率高，则导热系数低，隔热性能好，并具有抗水性和水蒸气渗透性，是理想的保温节能材料。由于酚醛具有苯环结构，所以尺寸稳定，变化率小于1%。且化学成分稳定，防腐抗老化，特别是能耐有机溶液、强酸、弱碱腐蚀。
③ 隔热保温。传统的保温隔热材料是以提高气相空隙率，降低导热系数和传导系数为主。纤维类保温材料在使用环境中要使对流传热和辐射传热升高，必须要有较厚的覆层；而型材类无机保温材料要进行拼装施工，存在接缝多、有损美观、防水性差、使用寿命短等缺陷。为此，人们一直在寻求与研究一种能大大提高保温材料隔热反射性能的新型材料。
20世纪90年代，美国国家航空航天局（NASA）的科研人员为解决航天飞行器传热控制问题而研发采用的一种新型太空绝热反射瓷层（Therma-Cover），该材料是由一些悬浮于惰性乳胶中的微小陶瓷颗粒构成的，它具有高反射率、高辐射率、低导热系数、低蓄热系数等热工性能，具有卓越的隔热反射功能。这种高科技材料在国外由航天领域推广应用到民用建筑和工业设施中，但美中不足的是，该材料20美元/kg的高昂售价实在令国内许多行业望物兴叹，难以承受。由此，国内悄然掀起一股研发隔热保温新材料的热潮，且已研制成功具有高效、薄层、隔热节能、装饰防水于一体的新型太空反射绝热涂料。该涂料选用了具有优异耐热、耐候性、耐腐蚀和防水性能的硅丙乳液和水性氟碳乳液为成膜物质，采用被誉为空间时代材料的极细中空陶瓷颗粒为填料，由中空陶粒多组合排列制得的涂膜构成，它对400～1800nm的可见光和近红外区的太阳热进行高反射，同时在涂膜中引入导热系数极低的空气微孔层来隔绝热能的传递。这样通过强化反射太阳热和对流传递的显著阻抗性，能有效降低辐射传热和对流传热，从而降低物体表面的热平衡温度，可使屋面温度最高降低20℃，室内温度降低5～10℃。产品绝热等级达到R—33.3，热反射率为89%，导热系数为0.030W/（m·K）。
（4）大气温度与海拔的关系。根据日常生活经验，在不考虑逆温现象的情况下，高度越高，气温越低。站在高山顶上明显就比山脚下冷，暑假去登泰山的人，出发时穿的是短袖，到顶上恐怕就得穿毛衣了！这个道理人们自古就明白，苏轼在《水调歌头》中写道：“我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”民谚有云：“山中有四季，十里不同天。”这些都反映了气温随海拔升高而降低的情况。
为什么会有这样的现象呢？这要从气体的性质谈起。大家知道，底层近地面空气由于受到地面辐射、太阳辐射和大气逆辐射的共同作用，温度上升、体积膨胀、密度变小，因而上升。大气压强随着海拔的增加递减，上升气流由于周围气压逐渐减小，导致体积膨胀，排挤周围大气，对外做功，致使自身内能减少。由于上升气流多呈现为体积很大的气团状，气团与外部空气之间的热传递对整个气团的温度没有明显的影响，粗略考虑时可以忽略不计。在这种情况下，气体内能的变化就只取决于整个气团与外界之间相互做功的多少。由于气体在上升的过程中，气压一直是逐渐降低的，因此气团总是在对外界做功，它的内能也随之不断减少，温度不断降低。这种不与外界进行热交换，仅由于空气本身体积变化而引起的空气温度的变化称为绝热变化。在近地面，大约高度每增加1km，气温降低6～7℃。
那么，是不是在整个大气层范围内，气温随高度的增加而降低这个结论都成立呢？答案是否定的。要了解造成这种现象的原因，首先得介绍一下大气层。地球被一层厚厚的气体所包围，这就是大气层。大气是多种气体的混合物，上界可溯到距地面2000～3000km的高空。就整个地球来看，越是靠近核心，组成物质的密度就越大。全部大气层的质量有5600万亿t，由于重力作用，整个大气圈质量的90%集中在高于海面16km的空间内。高层的密度比低层要小得多，而且越高越稀薄。几乎全部大气圈的质量99.999%都集中在比海面高出80km的界限以下；而所剩无几的大气占据的空间却极为广大，探测结果表明，地球大气圈没有明显的边界。大气层根据高度可以粗略地分成三层：贴近地面的最底层是对流层，中间的是平流层，而处于最高处且体积最大的是高层大气。高层大气可进一步分为中间层、热层和外层。
在对流层范围内，根据物理公式得出的结论是成立的。对流层位于低纬度地区距海面17～18km，高纬度地区距海面8～9km，层内大气主要成分是干洁空气、水汽和固体杂质。成分相同，性质相似，而且因为地面是对流层大气主要的直接热源，因此离地面越高，空气所得到的热量就越少，温度也就越低。温度随高度的增加递减。
而在平流层，气温并不随高度增加而下降。平流层是自对流层顶至50～55km范围的大气。在平流层中30km以下范围，气温几乎保持在一个很低的温度，不随高度的增加而变化。而在30km以上范围，气温反而随高度的增加迅速上升。在平流层，绝热变化是空气随着高度的上升继续对外做功，向外释放能量。在绝热变化的同时平流层大气也在进行辐射变化，平流层的热量来源主要是臭氧吸收的大量太阳紫外线，在22～27km的高空，臭氧的浓度达到最高，形成臭氧层，从太阳紫外线中获得的热量也随之增加。平流层的温度变化量是绝热变化引起的降温和辐射变化引起的增温的代数和，由于这里的辐射变化远远大于绝热变化，所以，这一区域和往上区域的气温随高度增加而上升。
在占据空间极为广大的高层大气，气压很低，空气密度很小。在距地80～500km的高空，因受太阳辐射和宇宙射线的作用，气体分子分裂成为原子，进一步电离成离子，整体处于高度电离状态，越高这些作用越强，于是在地球周围形成了能够导电、能够反射无线电波的电离层。到2000～3000km的高空，大气的密度已与星际空间的密度非常接近。由于高层大气的组成结构复杂，各高度之间差异较大，而且离地面非常之远，致使它的温度变化与距地面高度没有直接的联系。高层大气底层为中间层，是平流层和高层大气的分界处，仍然具有较高的臭氧含量，因此，这里也保持了较高的温度。高层大气中层为热层，这里没有足以引起气温升高的臭氧，太阳辐射和宇宙射线的作用也还不能使氧分子分离成为氧原子，因此，热层的温度将降到很低。高层大气的最高层是外层，也称散逸层。在外层，氧分子进一步分离成为氧原子，氧原子能像臭氧分子一样吸收大量的热，因而外层大气的温度又开始回升。高层大气温度变化很复杂，经历了一个由高温到低温再到高温的变化过程。这种现象取决于高层大气的结构和所处的位置。
可见，地球大气温度随高度上升而递减的结论并不是恒成立。自古以来，人类对大气的研究和探索就从未停止过，相信随着科学技术的发展，人们对大气层、对地球、对整个物质世界的了解和研究将会更详细、更深入。
（5）大气层各层的特点及原因（表5—13）。
表5—13 大气层各层的特点及原因
（续表）
3）电学部分
手机定位系统是指通过特定的定位技术来获取移动手机或终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图上标出被定位对象位置的技术或服务。
（1）GPS定位。24颗GPS卫星在离地面1.2万km的高空上，以12h的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数——X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100m。为提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高至5m。
它的特点是：不需要sim卡，不需要连接网络，只要在户外，基本上随时随地都可以准确定位。但是GPS启动后搜索卫星的时间比较长，一般需要2min左右（俗称冷启动）。
（2）基站定位。这是出现较晚的一种技术，其原理也比较简单。
手机在插入sim卡开机以后，需要搜索周围的基站信息（就是找信号），通常在有信号的地方，手机能搜索到的基站不止一个，就像你的笔记本电脑在小区里能搜到不止一个开着的路由器一样。然后手机会自动从这些基站中选择信号最好的（假如是基站A）连接注册。同时手机仍然搜索着其余基站，一旦你离开基站A一段距离，基站A的信号不如基站B了，手机会自动切换成基站B。这也就是为什么同样是待机一天，你的手机在火车上比在家里耗电要多的原因，因为手机需要不停地搜索、连接基站。
当手机的网络覆盖到一定程度的时候，基站定位也就应运而生了。其原理如下：众所周知，距离基站越远，信号越差，所以用信号的强度可以大致估计距离基站的远近。基站都是中国移动、中国联通等运营商建立的，他们可以确定每个基站准确的位置，当手机同时搜索到至少三个基站的信号时（现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情），手机除了连接信号最好的一个外，同时根据基站信号的强弱，大致估计出距离基站的远近。由于基站位置是确定的，所以确定位置是很容易的，只需要以基站为圆心，距离为半径多次画圆即可，不过至少需要三个基站的信号才可以。
由于基站定位时，信号很容易受到干扰，所以先天就决定了它定位的不准确性，精度在150m左右，基本无法开车导航。
基站定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于sim卡注册状态（飞行模式下开Wi-Fi和拔出sim卡都不行），而且必须收到3个基站的信号，无论是否在室内。但是，定位速度超快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是没有GPS、没有Wi-Fi的情况下快速大体了解你的位置。另外，如果手机里没有基站位置数据包，还需要联网才行。
（3）AGPS定位。AGPS是assisted global positioning system辅助全球定位系统的缩写，是手机开始内置GPS芯片以后发展起来的技术。AGPS定位时，必须有GPS模块存在，如果没有GPS模块，这种定位是不起什么作用的。
由于GPS冷启动时，搜星速度很慢，大约2min才能搜到。什么是冷启动呢？就是GPS内的卫星位置信息清空了（比如GPS初次使用；GPS电池耗尽；关机状态下移动1000km以上的距离或持续关机超过4h），此时GPS需要一点一点地搜索卫星信号，三十多颗卫星，逐颗搜，于是搜星速度就很慢很慢了。
AGPS就是先利用基站大体定位下你所在的位置，然后通过网络将这个位置发送到服务器，服务器根据这个位置将此时经过你头顶的卫星参数（哪几颗、频率、位置、仰角等信息）反馈给手机，手机的GPS就可以很有目的地去搜索卫星，此时搜星速度大大提高，几秒就可以定位。
打个比方，GPS搜星就像在一家大型超市里找一瓶百事可乐。冷启动呢，就是你对这个超市很陌生，不知道食品冷饮区在哪儿，需要一个点一个点地找。AGPS呢，就像你给超市经理打了个电话，然后他告诉你百事可乐在二楼西南角靠近楼梯的位置。两者搜星速度差别之大是显而易见的。
所以，AGPS的优势就是搜星定位快，不管怎么启动，秒定。缺点是，必须联网，如果机器不能上网，或是手机停机了身边又没有Wi-Fi，是没法应用AGPS达到秒定效果的。
（三）实验预习报告
1.试验预习报告模板
（续表）
2.试验预习报告学生案例（图5—48）
图5—48 试验预习报告学生案例