自制热气球，本文主要内容关键词为：热气球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在课外活动中结合物理学的热学知识，开展热气球的制作，是一项同学们喜闻乐见的活动，热气球实验取材方便，制作简单，容易成功.通过这项活动既培养了同学们的动手实践能力，又巩固了所学的物理知识.下面介绍热气球制作方面的事宜。
1 热气球升空的原理
图1 热气球示意图
热气球是利用物体在空气中受到浮力的原理设计制作的，图1为热气球的示意图，它在空气中受到了重力和空气的浮力.热气球受到的重力应包括球壳受到的重力和球内空气受到的重力.热气球受到的浮力等于球体排开的空气的重力.在不考虑空气阻力的情况下，当气球所受的浮力大于它所受的重力时，气球加速上升；当气球所受的浮力小于它所受的重力时，气球加速下降；当气球所受的浮力等于它所受的重力时，气球在空中处于平衡状态.若使气球能够顺利升空，可以给气球内部的空气加热，使它受到的浮力大于重力即可.
假设我们做一个体积为0.9m[3]的气球，下面计算可以起飞的球的质量.球受到的空气的浮力为
为了简化，可以忽略球壳所占的体积，认为球的体积与球内气体的体积相等.
把（5）式代入（6）式，得到
球壳的质量约为130g.当然，实际上球内的气体的温度还会更高一些，如果再把球的体积做得大一点，球壳的质量达到200g也是可行的.
图2 稳定与不稳定的热气球示意图
在设计气球时还要注意它的稳定性.整个球体受到的重力作用在重心上，球受到浮力的作用点可以认为是作用在球上的一点，这一点就叫做浮心.如图2所示，若球的浮心在上，重心在下，当球倾斜时，两个力产生的力矩使球恢复到竖直状态，球是稳定的；若球的重心在上，浮心在下，当球倾斜时，两个力产生的力矩促使球进一步倾斜，很容易翻倒，球是不稳定的.
怎样保证球的稳定性呢？可以在球的设计和制作过程中注意以下两点：1）球上边的体积大，下边的体积小，使得浮心高.2）球上边的质量小，下边的质量大，使得重心低.如果球设计的较合理，热气球在飞行时就是稳定的.
2 热气球的设计及制作
热气球可以看成由3个几何体组成：上部的球缺、中部的圆台和下部的圆柱体.在设计热气球时可以以上部的球体为基础，从上向下设计.为把纸做成一个球壳，就应该把球面分割开来，我们做一个r=0.6m的球，像地球的经线和纬线一样来分割球面，球沿经向分成8份，沿纬向分成6份，如图3所示.
图3 均分经纬的球
球的半径r=0.6m，这个球赤道的周长为C=2πr≈3.77m.每一条经线的周长也是3.77m.从赤道到两级，用纬线把1/4经线等分成3份，每一份经线的长为C/12≈0.31m.赤道一周等分成8份，每一份的长为C/8=0.47m.赤道上边两条纬线的周长分别为：C[，1]=2πr；C[，2]=2πr·r[，1]，r[，2]和r的关系可以用图4表示出来，可以看出，r[，1]=rcos30°0.86r=0.52m，r[，2]rcos60°=0.5r=0.3m.由此算出C[，1]=3.27m，C[，2]=1.88m.把球沿经线分成8份
的8块相同的球皮的尺寸了，如图5（a）所示，每张纸的边缘用圆滑的曲线画出.
下半个球的球皮在以上样板的基础上加以改造，使球的下面呈圆台状，并能够与一个圆筒形的球口相连接.每张纸的尺寸如图5（b）所示.
球口的半径为0.15m，用较厚的纸（如牛皮纸、画报纸等）做一个高为0.1m的圆筒，如图6所示.为了保证口被撑圆，可在圆纸筒的下边缘包入一根细竹条.
图5 球皮尺寸示意图
图6 球口处圆筒示意图
制作热气球使用的纸是拷贝纸，这在文具店中有售，价格为几角钱一张.先用画报纸做出两张样板，把拷贝纸叠放平后上面放样板，画出轮廓，一次可以裁出多张纸，如图7所示.
先用胶水把上下两片纸粘在一起，再把8个大片粘在一起，粘贴时两纸边重叠部分要小于1cm.最后把球口与球体粘结好.在气球上还可以画一些图案，但不要过分增加球的质量，不要涂较厚的广告色，以免影响气球的飞行.
图7 在拷贝纸上画出的上半球轮廊
3 热气球的放飞
气球起飞时不带燃料，用火给球内气体加热就能使球飞上天空.用汽油喷灯加热气球，用一节弯曲的钢管把加热后的空气引入到球内，钢管上焊支架，以便固定在地面上，如图8所示.用手拿住球口并扶好球体，当球内的温度达到一定值时，手会感觉到球有向上的升力，这时就可以慢慢松开气球，气球会徐徐上升.
图8 发射气球的装置
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