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，利用注射器進行抽氣. 文獻[2]利用磁鐵的相互排斥現象使聲源懸浮，并將接收聲音的裝置放在發聲系統外部，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. 長春工業大學朱長明等利用KD005-CT型磁懸浮產品將聲源懸浮起來，并利用真空表指示鐘罩內的真空程度，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. 當鐘罩內的空氣被抽去后，聲源就與周圍介質隔離，外界完全聽不到聲源發出的聲音. 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象來指示抽氣過程中鐘罩內的真空程度. 底座上裝有激光模組，在罩內充入一定的煙霧. 抽氣時，隨著鐘罩內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，是為了便于調整托盤的姿態，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磁懸浮，這種方式具有較好的穩定性和可控性，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，不能剝去連接電熱絲的銅芯線的絕緣層，因為銅會跟AB膠發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. 根據天氣狀況，一般需要經過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，發現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出的干擾聲，還可以聽到微弱的蜂鳴聲. 繼續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出的蜂鳴聲，說明聲音的傳播需要介質，若把手放在鐘罩上，發現與聲音的傳播條件不同，光的傳播并不需要介質，可以通過真空到達手心.

5 結束語

演示儀利用磁懸浮將聲源和介質有效隔離，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. 實驗儀更為直觀高效，并且結構簡潔、穩定，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] 哈爾濱工業大學應用物理專業實驗教學中心. “DIY電磁混合懸浮實驗系統”設計與實現[J]. 物理實驗,2017,37(7)：38.