磁浮式聲音傳播條件演示儀

徐忠岳

(東海中學，浙江 舟山 316000)

聲音的傳播需要介質(zhì)的實驗常選用帶抽氣盤的鐘罩來演示，只是聲源及其擺放的方式不同，由于聲音可以通過抽氣盤底座或鐘罩傳播，所以實驗效果很不理想. 文獻[1]對上述方法進行了改進，把聲源等元件置于較大的注射器內(nèi)，利用注射器進行抽氣. 文獻[2]利用磁鐵的相互排斥現(xiàn)象使聲源懸浮，并將接收聲音的裝置放在發(fā)聲系統(tǒng)外部，避免了容器本身傳遞聲音. 這種簡單利用2塊磁鐵排斥的懸浮方式并不穩(wěn)定，很難避免磁鐵與注射器的接觸[2]. 還有一種方法是用細繩把聲源懸掛起來進行演示，實驗效果也不理想. 長春工業(yè)大學朱長明等利用KD005-CT型磁懸浮產(chǎn)品將聲源懸浮起來，并利用真空表指示鐘罩內(nèi)的真空程度，這是一種相對較好的實驗方法[3]. 由于本實驗裝置在小學、初中和高中階段都要用到，真空表對于低年級學生來說很抽象，所以若不能將聲源和介質(zhì)有效隔離，并直觀地展示抽氣過程，就無法從根本上提高實驗的演示效果.

1 實驗原理

如圖1所示，把磁浮底座安裝在抽氣盤下面，托盤上安裝了磁鐵和聲源. 磁浮底座通電時，同名磁極之間的排斥力使托盤懸浮在空中. 當鐘罩內(nèi)的空氣被抽去后，聲源就與周圍介質(zhì)隔離，外界完全聽不到聲源發(fā)出的聲音. 為了便于低年級學生直觀地感受抽氣過程，儀器利用激光在煙霧中的丁達爾現(xiàn)象來指示抽氣過程中鐘罩內(nèi)的真空程度. 底座上裝有激光模組，在罩內(nèi)充入一定的煙霧. 抽氣時，隨著鐘罩內(nèi)煙霧和空氣的不斷減少，激光束逐漸消失，鐘罩外的聲音也隨之減弱直到完全聽不到.

圖1 聲音傳播條件演示儀

2 主要實驗材料

J02016型抽氣盤1個，磁懸浮展示臺1套，聲源(門磁報警器，內(nèi)有蜂鳴器)，紅色點狀激光模組(型號LD-G650A03，額定電壓3.0～5V，功率5mW),18650鋰電池及電池盒1個，舞臺煙餅若干，氣槍快速接口1對，厚度為3.2mm和5mm的有機玻璃板若干，開關1個，導線若干.

3 制作過程和方法

3.1 托盤的制作

如圖2所示，由于直接把聲源放在磁鐵上會阻礙蜂鳴器發(fā)出聲音，所以用有機玻璃板自制了托盤來固定聲源和磁鐵. 2個寬53.20mm、高60.00mm的門形支架用5mm厚度的有機玻璃板制成. 用3.2mm厚度的有機玻璃板制作底盤，底盤的尺寸做得比較大，是為了便于調(diào)整托盤的姿態(tài)，降低磁懸浮的難度. 先用CorelDraw軟件繪制所需配件設計圖，然后將設計圖輸入激光雕刻機，激光雕刻機會根據(jù)繪制的圖案進行切割. 把2個門形支架用三氯甲烷粘在一起后插入底盤的2個小孔中，用AB膠將支架和底盤粘合在一起，然后把聲源用雙面膠粘在支架上即可.

圖2 托盤制作

3.2 磁浮底盤的加工

磁懸浮展示臺包括底盤和磁性托盤，可以網(wǎng)購，也可以參考相關的文獻自己制作. 建議采用電磁混合的方式來實現(xiàn)磁懸浮，這種方式具有較好的穩(wěn)定性和可控性，且懸浮力較大[4].

如圖3所示，用銑刀在抽氣盤底座開3個缺口，其中1個缺口用來穿過展示臺電源線，另外2個缺口用來安裝控制電熱絲和激光模組的2個開關. 用電鉆在抽氣盤底座上打3個小孔，其中2個作為電熱絲的接線孔，另外1個用作激光模組的通光孔. 用玻璃膠把磁懸浮展示臺底座和鋰電池盒粘在抽氣盤底座上.

圖3 磁浮底盤下表面

為避免漏氣，完成電熱絲接線和激光模組的固定后，用AB膠直接對2個電熱絲接線孔進行粘合密封. 除了與電熱絲的焊接處外，不能剝?nèi)ミB接電熱絲的銅芯線的絕緣層，因為銅會跟AB膠發(fā)生反應而使其失去粘合能力. 如圖4所示，先在通光孔上蓋1片有機玻璃板，并用三氯甲烷將它粘在抽氣盤底座上(無影膠不能粘合塑料和有機玻璃，502和101膠水會弄“花”有機玻璃板，影響其透光性)，然后在有機玻璃板外圍均勻地涂AB膠進行加固. 根據(jù)天氣狀況，一般需要經(jīng)過12h以上，等AB膠充分固化才能進行抽氣演示.

圖4 磁浮底盤上表面

4 使用方法

1)非懸空演示

閉合聲源開關，把聲源直接放在底盤上. 在電熱絲上方加少量舞臺煙餅，蓋上鐘罩，先閉合電熱絲開關，待煙餅燃燒產(chǎn)生足夠多的煙霧后斷開電熱絲開關，再閉合激光模組開關. 用真空泵對鐘罩抽氣直到完全看不到激光束，發(fā)現(xiàn)仍可以聽到微弱的蜂鳴聲.

2)懸空演示

把聲源用雙面膠粘在托盤上，接通磁浮底座電源，雙手捧住托盤自上而下平穩(wěn)地把聲源懸浮在底盤的正上方. 用真空泵對鐘罩抽氣，隨著鐘罩內(nèi)煙霧和空氣的不斷減少，看到激光束亮度逐漸減弱，聽到蜂鳴聲也隨之減弱. 當激光束很暗時，暫時停止抽氣，由于此時沒有真空泵發(fā)出的干擾聲，還可以聽到微弱的蜂鳴聲. 繼續(xù)抽氣直到激光束完全消失后停止抽氣，此時完全聽不到聲源發(fā)出的蜂鳴聲，說明聲音的傳播需要介質(zhì)，若把手放在鐘罩上，發(fā)現(xiàn)與聲音的傳播條件不同，光的傳播并不需要介質(zhì)，可以通過真空到達手心.

5 結(jié)束語

演示儀利用磁懸浮將聲源和介質(zhì)有效隔離，利用激光在煙霧中的丁達爾效應來指示抽氣過程中鐘罩內(nèi)的真空程度，提高了實驗的演示效果，同時也證明了光的傳播無需介質(zhì). 實驗儀更為直觀高效，并且結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定，不僅可用于中小學物理教學，也可用于公益性科普展示.

參考文獻：

[1] 任國勝. “真空不能傳播聲音”實驗改進 [J]. 物理實驗,2010,30(5)：27.

[2] 王朝魯. 磁懸外置式真空不能傳聲實驗裝置 [J]. 物理實驗,2015,35(2)：23-24.

[3] 朱長明，鄧春蘭，黃廣華. 利用磁懸浮演示真空不傳聲[J]. 物理實驗,2013,33(2)：17-18.

[4] 哈爾濱工業(yè)大學應用物理專業(yè)實驗教學中心. “DIY電磁混合懸浮實驗系統(tǒng)”設計與實現(xiàn)[J]. 物理實驗,2017,37(7)：38.