利用孔明燈驗證熱氣球原理

梁明臻

【摘要】 熱氣球是航空器的一？種，它配備有用來填充氣體的袋狀物，當充入氣體的密度小于其周圍的環境的氣體密度，且由此壓力差產生的靜浮力大于氣球本身與其搭載物的重量時氣球就可浮升。氣球作為一種交通工具可用來運載觀測儀器和乘客，只裝載設備的無載人氣球經常用于對高空大氣環境的科學研究，有時也用于測定宇宙射線。本文就如何利用孔明燈來驗證熱氣球的原理進行了探究。

【關鍵詞】 熱空氣 氣球 熱量 浮力 密度 孔明燈

【中圖分類號】 G633.7 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 1992-7711（2017）02-193-01

一、背景

熱氣球最早由中國人發明，稱為天燈或孔明燈，約在公元二世紀或三世紀被發明，被用來傳遞軍事信號。十八世紀，法國造紙商孟格菲兄弟在歐洲重新發明了熱氣球。第二次世界大戰以后，高科技使球皮材料以及致熱燃料得到普及，熱氣球成為不受地點約束、操作簡單而方便的公眾體育項目。國際航空聯合會曾將熱氣球列為最安全的飛行器。今天，熱氣球作為一個體育項目正日趨普及。此外，熱氣球還常用于航空攝影和航空旅游。

二、簡介

（1）熱氣球由球囊（或氣囊）、柳條筐和加熱裝置三部分構成。

①吊籃由藤條編制而成，著陸時能起到緩和沖擊的作用。

②大多數熱氣球的氣囊由長條狀的尼龍三角帆布條制成，中間使用縫合線加固。從氣囊底部延伸到頂部的三角帆布條是由大量小片的氣囊片組成的。尼龍非常適合用于熱氣球，因為它不但材質輕，而且相當結實，同時熔點也較高。氣囊底部的尼龍裙擺表面涂有特殊的防火材料，以防止火焰點燃氣球。

③加熱裝置是熱氣球的心臟，燃料是丙烷。丙烷壓縮液化后儲藏在氣球吊籃中的輕型氣瓶內。進氣管接在氣瓶底部，以便從氣瓶中抽出液體。？由于丙烷在氣瓶中高度壓縮，所以它能迅速通過進氣管流入加熱盤管。加熱盤管簡單來說就是一段盤繞在燃燒器周圍的線圈上的鋼管系統。氣球駕駛員啟動燃燒器時，丙烷以液態形式流出，并用長明小火點燃。隨著火焰燃燒，周圍管道系統中的金屬受熱升溫，就會加熱流經管道的丙烷。這樣丙烷在點燃前從液態變為氣態。氣態丙烷可以產生更強烈的火

焰，并使燃料更高效地燃燒。

（2）常見的氣球材質有橡膠、鋁膜、乳膠、塑料、牛津布、PVC、鋁箔、PA及PE等。

三、原理熱氣球的結構示意圖

熱氣球是借由調控熱氣球上的加熱器，以調整氣囊中的空氣溫度，從而達到控制氣球升降的目的。當氣囊內的空氣溫度愈高時，氣囊內氣體的密度就愈小，便能產生更大的向上浮力，讓熱氣球向上飛行；當氣囊內的空氣溫度漸漸降低時，氣囊內氣體的密度就漸漸變大，浮力漸漸變小，若浮力漸漸小于熱氣球及其上負載物的總重量時，滯留于空中的熱氣球，便會因所受的向下重力，漸漸大于向上的浮力，而緩緩降落。熱氣球的唯一飛行動力是風。熱氣球的航向受風向影響，航速受風速影響。此外熱空氣不會從氣囊底部的開孔中逸出，因為浮力會使其上升。如果駕駛員持續點燃噴射的氣體燃料，氣球將持續上升，但存在一定的高度限制，因為空氣最終變得過于稀薄，以至于浮力太弱而不足以抬升氣球。

浮力：指物體在流體（包括液體和氣體）中，各表面受液體（氣體）壓力的合力。

浮力的方向：豎直向上。

浮力產生的原因：浸在液體或氣體里的物體受到液體或氣體對物體向上的和向下的壓力差

四、制作孔明燈

由于熱氣球與孔明燈的原理相同，我們可以自行制作孔明燈來研究熱氣球的原理。因此在這介紹一下制作孔明燈的方法。

（1）工具和材料：薄萱紙、裁紙刀、剪刀、棉線、工業酒精、502膠水、鋼絲鉗、細鐵絲、棉花、竹條、細繩等。

（2）注意事項：孔明燈必須要在無風的天氣和空曠的場地上放飛。放飛時，需要2-3人的合作，并在成年人陪同下。另外，可以在孔明燈底部拴上細繩，這樣既可以重復放飛，又能控制起飛高度和范圍，避免引起火災。

（3）制作步驟：

1.用裁紙刀將竹條削到厚薄3mm以內，然后，把竹條彎成一個圈，用棉線或502膠水固定。竹子有彈性，竹圈可能會不圓，可以用小火烤一烤，使竹圈固定成圓形。

2.用薄紙剪成一定規格（如47 cm×47 cm）的紙片，將第一張紙片的一邊與第二張的一邊粘在一起，再將第三張，第四張……依次同樣粘上去，直到拼成一個兩端漏空，直徑約60cm的球狀物。再剪一張圓形薄紙片，把上面圓空口糊住，待干后，把氣球吹脹，找一條薄而窄的竹條，彎成與下面洞口一樣大小的竹圈，在竹圈內交叉兩根互相垂直的細鐵絲，并系牢在在竹圈上，再把竹圈粘牢在下面洞的紙邊上，糊成的氣球不能漏氣。

3.把細鐵絲綁在竹圈兩端，再把做好的燈罩粘在竹圈上。在細鐵絲上綁上棉花，浸上酒精。

4.一人拿住燈底的左右側，另一人用酒精將脫脂棉浸透后點燃，直到雙手感到孔明燈有上升之勢，即慢慢放開雙手，孔明燈便徐徐飛起，用細繩控制孔明燈上升的高度。

（4）改進制作孔明燈的方法：首先，可以在減輕孔明燈自重上做文章。用高科技材料（要求輕質、阻燃、有彈性）代替紙和竹條，既能減輕孔明燈的自重，又使制作更方便。其次，選用優質燃油做燃料，提高熱效率，延長滯空時間。

五、簡單驗證

首先做兩只孔明燈。

其次，拿出其中一只孔明燈，然后讓一人拿住燈底的左右側，另一人用酒精將脫脂棉浸透后點燃，直到雙手感到孔明燈有上升之勢，便慢慢放開雙手，孔明燈就徐徐飛起。

第三，拿出另外一只孔明燈，然后讓一人拿住燈底的左右側，另一人不點燃脫脂棉。但并沒有感到孔明燈有上升之勢，慢慢放開雙手，孔明燈沒有飛起，反而下降。

總結：加熱燈罩內的空氣，溫度變高，氣體的密度變小，產生更大的向上浮力，讓孔明燈向上飛行。