中国传统科技文化与STEM教育——孔明灯

　　一、人文知识

　　孔明灯，又称为天灯、许愿灯或祈天灯，是一种古老的汉族手工艺品。它通常在元宵节、中秋节等重大节日施放，被视为一种祈福的象征。孔明灯的历史悠久，相传是由三国时期的伟大军事家诸葛孔明所发明。另一种关于孔明灯起源的说法是，这种灯笼的外形与诸葛孔明戴的帽子相似，因此得名孔明灯。无论是哪种说法，孔明灯都成为了一种寓意深远的文化象征。

　　在古代，孔明灯多被用于军事用途。据传，诸葛孔明被司马懿围困于平阳，无法派兵出城求救。聪明的孔明算准了风向，制作了一种轻盈飘浮的纸灯笼，并在灯笼上系上求救的讯息。幸运的是，他成功地脱险了。因此，后世将这种灯笼称为孔明灯，以纪念诸葛孔明的智慧和勇气。

　　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，将其放入孔明灯中，然后点燃灯底，让孔明灯飘向天空。这一仪式象征着人们对美好未来的期盼和祈愿，希望每一年都能丰收成功，幸福满溢。

　　孔明灯的制作过程需要精心的手工艺和细致的设计。它通常由薄纸或绢制成，外形呈圆锥状，底部有一个小孔供点火。孔明灯的外表可以根据不同的节日或场合进行装饰，增添了更多的艺术和美感。

　　孔明灯的传统文化价值在于它承载了人们对美好生活的向往和祈愿。它提醒我们，无论面对何种困境，智慧和勇气都能带来希望和解脱。同时，孔明灯也传递了人们对和平、幸福和繁荣的向往，成为了中华民族传统文化的重要组成部分。

　　二、科学原理

　　孔明灯是一种利用热空气浮力原理升空的装置。它的底部点燃火源，通过燃烧加热灯内的空气，使其膨胀，从而产生浮力，使孔明灯向上升空（如下图）。

　　具体来说，孔明灯的底部点燃的火源（如蜡烛）会将灯内的空气加热。加热后的空气分子获得能量，速度增加，碰撞频率增加，从而跑到了灯的外部。这样，灯内的空气分子一部分被排出，而总体的体积并没有发生变化。由于排出了一部分空气，灯内的质量变小，但体积不变，因此灯内的空气密度就会变小。

　　根据阿基米德原理，当灯内的空气密度小于外部空气密度时，灯就会受到向上的浮力。外部空气的密度大于灯内的空气密度，所以灯就会往上浮。这种浮力的产生使得孔明灯能够升空飘飞。

　　在古代，孔明灯通常由纸张或绢制成，底部点燃的是蜡烛。纸张或绢的材料轻盈，能够容纳足够的热空气，使孔明灯能够升空。而现代的孔明灯则采用了更加耐高温的材料，如防火纸或耐高温塑料，以确保安全。

　　孔明灯的安装部位通常是在灯底的中央，用以点燃火源。火源可以是蜡烛、酒精棉花或其他易燃物质。在点燃火源后，要确保火源能够持续燃烧，以保持灯内的空气加热，产生足够的浮力。

　　需要注意的是，放飞孔明灯时应选择开阔的场地，远离易燃物和建筑物，以确保安全。同时，要遵守当地的法律法规和环保要求，避免对环境造成污染或危害。

　　无论是古代使用的纸张或绢制成的孔明灯，还是现代使用的防火纸或耐高温塑料制成的孔明灯，都能够通过这一原理实现升空飘飞的效果。

　　三、STEM活动实践

　　1. 创意实践

　　孔明灯上升探索

　　实验1：使用不同大小的塑料袋，放入相同大小的蜡烛，点燃蜡烛后观察不同大小的塑料袋的升空情况。记录观察结果。

　　实验2：使用相同大小的塑料袋，分别放入不同大小的燃料块（蜡烛、纸张等），点燃燃料块后观察塑料袋的升空情况。记录观察结果。

　　实验3：使用相同大小的塑料袋，分别制作不同形状的灯罩（如圆形、方形、三角形等），点燃蜡烛后观察不同形状灯罩的升空情况。记录观察结果。

　　2. 创意改良：亲手制作孔明灯

　　实验中可能需要准备的材料：白纸、铁丝、酒精、剪刀、铅笔

　　3. 创意挑战

　　探索：在生活中，还有哪些现象与孔明灯的原理类似？

　　（作者/覃金安 邵阳市洞口县第二中学）

（一审：余画 二审：文杰 三审：禹振华）