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天津市民族中学开展学校科普日活动，旨在大力弘扬教育家精神，实施“双驱引领”下的科学教育。通过广泛传播科学知识、弘扬科学精神，激发学生崇尚科学、探索未知的兴趣，营造讲科学、爱科学、学科学、用科学的氛围。
学校将在科普日面向全校师生推广科普知识。学生和家长通过关注学校微信公众号，可以了解学校在每期科普日推送的科普内容或活动。在后续的科普日活动中，学校还将组织学生开展现场活动，助力学生科学思维的发展和科学探究能力的提升。
本期科普日由学校物理教师朱敬萱为你揭开“热气球飞天”的科学秘密。
在节日庆典或旅游景区，我们常常能看到色彩鲜艳的热气球缓缓升空，带着乘客俯瞰地面美景——这个看似笨重的庞然大物，为何能挣脱重力的束缚飞向天空？热气球的升空并非依靠发动机的推力，而是利用了物理学中“浮力”的原理，通过制造气体的“密度差”，让热气球获得向上的浮力，从而实现升空。要理解这一过程，需从浮力的基本规律、气体密度与温度的关系以及热气球的结构设计入手，揭开“热气球飞天”的科学秘密。
首先，我们需要明确浮力的基本概念。浮力是指浸在液体或气体中的物体，受到液体或气体向上托举的力。这一现象最早由古希腊科学家阿基米德发现，他提出的“阿基米德原理”指出：物体受到的浮力大小，等于它排开的液体或气体所受的重力。简单来说，当物体排开的流体（液体或气体）重力大于物体自身的重力时，物体就会受到向上的浮力，从而上浮；反之，则会下沉。我们日常生活中看到的木块漂浮在水面、氢气球飞向天空等现象，都是浮力作用的结果。
（阿基米德原理）
对于热气球而言，它所处的“流体”是空气，因此热气球受到的浮力，等于它排开的空气所受的重力。热气球的主体是一个巨大的气囊，气囊内部充满了热空气，而气囊外部则是常温空气。热气球能否升空，关键在于气囊内热空气的密度与外部常温空气的密度差异——当热空气的密度小于外部空气的密度时，热气球排开的外部空气重力就会大于热气球自身的重力，此时热气球受到的浮力大于重力，就能向上升空。
那么，热空气的密度为何会小于常温空气？这与气体的“热胀冷缩”特性有关。一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度升高时体积会膨胀，温度降低时体积会收缩。当热气球下方的燃烧器加热气囊内的空气时，气囊内的空气温度逐渐升高，体积随之膨胀。由于气囊的容积是固定的，部分受热膨胀的空气会从气囊底部的开口排出，导致气囊内空气的质量减少。气囊内空气的体积基本不变、质量减少时，其密度就会降低——热空气的密度因此小于外部常温空气的密度。
热气球的升降和飞行方向，也可以通过控制气囊内空气的温度来调节。当需要升高高度时，飞行员会点燃燃烧器，继续加热气囊内的空气，使热空气密度进一步降低，浮力增大，热气球就会上升；当需要降低高度时，飞行员会关闭燃烧器，停止加热，气囊内的热空气会逐渐冷却，密度增大，浮力减小，热气球就会下降。如果需要保持在某一高度飞行，只需间歇性地点燃燃烧器，维持气囊内空气的温度和密度，使浮力与重力保持平衡即可。
而热气球的飞行方向，则主要依赖于不同高度的风向。由于大气中不同高度的风向和风速不同，飞行员可以通过调整热气球的高度，进入不同的气流层，利用气流的运动带动热气球向目标方向飞行。这种依靠气流飞行的方式，也让热气球飞行充满了不确定性和趣味性，每次飞行的路线都可能不同。
热气球的结构设计也与浮力原理密切相关。气囊通常由高强度且耐高温的合成纤维制成，既能承受热空气的膨胀压力，又能减轻自身重量；气囊底部设有开口，一方面便于燃烧器向内部加热空气，另一方面也能让受热膨胀的多余空气排出，维持气囊内空气的质量和密度稳定；吊篮则悬挂在气囊下方，用于承载乘客和飞行员，吊篮通常由藤条编织而成，重量轻且具有一定的弹性，能在着陆时起到缓冲作用。
除了热气球，利用密度差和浮力原理的发明还有很多。例如，氢气球和氦气球之所以能升空，是因为氢气和氦气的密度远小于空气的密度，气球排开的空气重力大于自身重力，从而受到向上的浮力；潜水艇通过改变自身的重量来实现上浮和下潜——潜水艇内设有水舱，向水舱内注水时，潜水艇总重力增大，大于浮力，从而下潜；将水舱内的水排出时，总重力减小，小于浮力，从而上浮。这些发明虽然形态和应用场景不同，但核心原理都与浮力和密度差有关。
（氢气球）
（潜水艇工作原理）
（中国蛟龙号载人潜水器）
从色彩斑斓的热气球升空，到小巧的氢气球飘向天空，浮力原理始终在帮助人类突破重力的限制，探索更广阔的空间。这一简单的物理学原理，不仅为我们带来了独特的飞行体验，也为科技发明提供了重要的思路。深入理解浮力与密度差的关系，能让我们更好地利用自然规律，创造出更多改善生活、探索世界的工具——科学的力量，就藏在这热气球与空气的相互作用之中。
加强科学教育 提升科学素养
科普知识问答
阿基米德原理是什么？
01
02
热气球能否升空，关键在于什么？
如何控制热气球的飞行方向？
03
04
潜水艇如何实现上浮和下潜？
撰稿人：朱敬萱
核稿人：沈建伟 关雪岩 王菁
排版制作：魏佳
领导审核：刘芃 刘和葵
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