孔明灯的原理与制作实验设计
孔明灯的原理与制作实验设计
图1
孔明灯又叫天灯，相传是由三国时的诸葛孔明（即诸葛亮）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 那么，孔明灯是为什么能够升空呢？
孔明灯的结构可分为主体与支架2部份。如图2所示
图2
原理：孔明灯在空中时受到两个力的作用：空气的浮力F浮力和它自身的重力G1与空气的重力G2，总重力为G=G1+G2。没有点火时，由于总的重力G>F浮力，所以孔明灯不能升空。但是点燃燃料时，燃料燃烧使周围空气温度升高，气体受热膨胀，从而排出孔明灯部分空气，使总的重力G变小，当G
具体的实践：
由浮沉条件可知，只有满足： F浮力>G=G1+G2时，即：G1
假设空气加热前的密度为0，加热后的密度为，孔明灯主体内部体积为V，孔明灯的质量为m。
因为孔明灯主体和支架的质量已固定，能够改变的只有主体内部空气的质量，由于
F浮力=0gV排， 加热后空气的重力为G2'gV， 又因为V排V
则G1
pMRT
为空气密度，p为气体压强，M为空气摩尔质量，R为气体常数，T为 热力学温度。把式代入式可得 m
pMVR
(1T0
1T)
其中p=1.01325×105Pa为标准气体压强，M=0.029kg/mol为空气摩尔质量，R=8.31J·mol-1·K-1为气体常数，T0为空气温度，T为孔明灯内部气体加热后的温度。可见其能否起飞由灯质量和气温、热空气温度和孔明灯容积共同决定。
数据估算：
设当天气温：T空气=300K(27℃)；大气压强：1标准大气压，p=1.01325×105Pa；孔明灯容积：V=V排=0.5m×0.5m×0.4m=0.1m3；加热后的空气温度：T热空气=500K(227℃)。
代入式得：
m
pMVR
(
1T0
1T
5
)
1
1.01325a100.029kgmol
8.31Jmol
3
1
0.1m
3
K
1
(
1300K
1500K
)
47.210kg47.2g
在上述条件下 孔明灯总质量在47.2g时，当热空气温度升到227℃时上升。 假设在上述条件下把孔明灯质量减轻成m灯=20g时，由式变形并代入数据得：T=361K
即热空气温度只要升高到88℃，孔明灯即可上升。 仍按上述条件，当空气温度为300K时，
m
pMVR
(1T0
1T
)117.8g
，
即当m≥117.8g时，则无论热空气温度升到多高也飞不起来。
由上面分析可知孔明灯要起飞，它的质量不能超过一定值，而且质量越小所需热空气温度越低，也就越容易起飞。
制作过程：
孔明灯的制作多种多样，形式也各异。但是不管是何种形式的孔明，制作时必须满足浮力大于总的重力。下面介绍灯笼式孔明灯的制作方法。
工具和材料：拷贝纸(规格787×l092毫米)、小刀 、.剪刀、.棉线、工业酒精 、502胶、细铜线 、棉花、竹条；