23.孔明灯
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实验二十三 孔明灯

【仪器介绍】

孔明灯的结构可分为灯罩与支架两个部分,灯罩用纸糊成,支架用竹削成细竹条做成。一般的孔明灯是用支架围成圆形,外面以纸密密包围而开口朝下。孔明灯可大可小,圆形或长方形均可。

【操作与现象】

孔明灯升空时受到场地与天气的影响较大。风大时,易将灯体吹斜而使灯体烧毁, 下雨时,易将灯体淋湿而无法放飞,故最好在无风的时候施放。

1.一人两手分别捏住灯罩顶部两角,使之开口朝下。

2.在棉花上倒上适量酒精。

3.点燃酒精,将进气口尽量压低,以减少热气流失,但亦不可过低,以免氧气不足而熄火。

4.加热直至灯体内之热气温度足够后,灯体亦膨胀起来,慢慢松开手,孔明灯便会腾空而起。待底部的燃料烧完之后孔明灯便会自动降落。

【原理解析】

孔明灯的原理与热气球的原理相同,皆是利用热空气之浮力使球体升空。然而为何热空气会飘浮呢?我们可用阿基米德原理来解释它:当物体与空气同体积,而重量(密度)比空气小时就可飞起,此与水之浮力的道理是相同的。将球内之空气加热,球内之一部份空气会因空气受热膨胀而从球体流出,使内部空气密度比外部空气小,因此充满热空气之球体就会飞起来。

设孔明灯自重(包括燃料)为0G ,灯体内的空气体积为V ,重量为G ,周围空气的密度为0ρ,灯内热空气的密度为ρ,当灯受到的浮力满足:G G F +<0时,灯便会升空。显然,孔明灯的自重0G 应满足以下条件:

()Vg G F G ρρ-=-<00

即灯的质量m 必须满足:()V m ρρ-<0, (23-1) 由理想气体状态方程RT M

PV μ=和气体密度V M =ρ,可得RT

P μρ= (23-2) 将23-2式代入23-1式,得R

V T P T P m μ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<00, (23-3) 式中0T 和0P 分别为环境空气的温度和压强,T 和P 分别为灯体内空气的温度和压强,μ为

空气的摩尔质量。

由23-3式可知,孔明灯要能升空,其质量不能超过一定值,这个值的大小由环境空气和灯内热空气的温度、压强以及孔明灯的容积等因素决定。通常孔明灯的质量越小,体积越大,起飞所需的热空气温度越低(稍加热即可),就越容易升空。

【知识拓展】

孔明灯又叫天灯,相传是由三国时的诸葛孔明所发明。当年, 诸葛孔明被司马懿围困于平阳,无法派兵出城求救。孔明算准风向,制成会飘浮的纸灯笼,系上求救的讯息,其后果然脱险,于是后世就称这种灯笼为孔明灯。另一种说法则是这种灯笼的外形像诸葛孔明戴的帽子,因而得名。现代人放孔明灯多作为祈福之用。男女老少亲手写下祝福的心愿,祈求丰收成功,幸福年年。