磁浮式声音传播条件演示仪

徐忠岳

(东海中学，浙江 舟山 316000)

声音的传播需要介质的实验常选用带抽气盘的钟罩来演示，只是声源及其摆放的方式不同，由于声音可以通过抽气盘底座或钟罩传播，所以实验效果很不理想. 文献[1]对上述方法进行了改进，把声源等元件置于较大的注射器内，利用注射器进行抽气. 文献[2]利用磁铁的相互排斥现象使声源悬浮，并将接收声音的装置放在发声系统外部，避免了容器本身传递声音. 这种简单利用2块磁铁排斥的悬浮方式并不稳定，很难避免磁铁与注射器的接触[2]. 还有一种方法是用细绳把声源悬挂起来进行演示，实验效果也不理想. 长春工业大学朱长明等利用KD005-CT型磁悬浮产品将声源悬浮起来，并利用真空表指示钟罩内的真空程度，这是一种相对较好的实验方法[3]. 由于本实验装置在小学、初中和高中阶段都要用到，真空表对于低年级学生来说很抽象，所以若不能将声源和介质有效隔离，并直观地展示抽气过程，就无法从根本上提高实验的演示效果.

1 实验原理

如图1所示，把磁浮底座安装在抽气盘下面，托盘上安装了磁铁和声源. 磁浮底座通电时，同名磁极之间的排斥力使托盘悬浮在空中. 当钟罩内的空气被抽去后，声源就与周围介质隔离，外界完全听不到声源发出的声音. 为了便于低年级学生直观地感受抽气过程，仪器利用激光在烟雾中的丁达尔现象来指示抽气过程中钟罩内的真空程度. 底座上装有激光模组，在罩内充入一定的烟雾. 抽气时，随着钟罩内烟雾和空气的不断减少，激光束逐渐消失，钟罩外的声音也随之减弱直到完全听不到.

图1 声音传播条件演示仪

2 主要实验材料

J02016型抽气盘1个，磁悬浮展示台1套，声源(门磁报警器，内有蜂鸣器)，红色点状激光模组(型号LD-G650A03，额定电压3.0～5V，功率5mW),18650锂电池及电池盒1个，舞台烟饼若干，气枪快速接口1对，厚度为3.2mm和5mm的有机玻璃板若干，开关1个，导线若干.

3 制作过程和方法

3.1 托盘的制作

如图2所示，由于直接把声源放在磁铁上会阻碍蜂鸣器发出声音，所以用有机玻璃板自制了托盘来固定声源和磁铁. 2个宽53.20mm、高60.00mm的门形支架用5mm厚度的有机玻璃板制成. 用3.2mm厚度的有机玻璃板制作底盘，底盘的尺寸做得比较大，是为了便于调整托盘的姿态，降低磁悬浮的难度. 先用CorelDraw软件绘制所需配件设计图，然后将设计图输入激光雕刻机，激光雕刻机会根据绘制的图案进行切割. 把2个门形支架用三氯甲烷粘在一起后插入底盘的2个小孔中，用AB胶将支架和底盘粘合在一起，然后把声源用双面胶粘在支架上即可.

图2 托盘制作

3.2 磁浮底盘的加工

磁悬浮展示台包括底盘和磁性托盘，可以网购，也可以参考相关的文献自己制作. 建议采用电磁混合的方式来实现磁悬浮，这种方式具有较好的稳定性和可控性，且悬浮力较大[4].

如图3所示，用铣刀在抽气盘底座开3个缺口，其中1个缺口用来穿过展示台电源线，另外2个缺口用来安装控制电热丝和激光模组的2个开关. 用电钻在抽气盘底座上打3个小孔，其中2个作为电热丝的接线孔，另外1个用作激光模组的通光孔. 用玻璃胶把磁悬浮展示台底座和锂电池盒粘在抽气盘底座上.

图3 磁浮底盘下表面

为避免漏气，完成电热丝接线和激光模组的固定后，用AB胶直接对2个电热丝接线孔进行粘合密封. 除了与电热丝的焊接处外，不能剥去连接电热丝的铜芯线的绝缘层，因为铜会跟AB胶发生反应而使其失去粘合能力. 如图4所示，先在通光孔上盖1片有机玻璃板，并用三氯甲烷将它粘在抽气盘底座上(无影胶不能粘合塑料和有机玻璃，502和101胶水会弄“花”有机玻璃板，影响其透光性)，然后在有机玻璃板外围均匀地涂AB胶进行加固. 根据天气状况，一般需要经过12h以上，等AB胶充分固化才能进行抽气演示.

图4 磁浮底盘上表面

4 使用方法

1)非悬空演示

闭合声源开关，把声源直接放在底盘上. 在电热丝上方加少量舞台烟饼，盖上钟罩，先闭合电热丝开关，待烟饼燃烧产生足够多的烟雾后断开电热丝开关，再闭合激光模组开关. 用真空泵对钟罩抽气直到完全看不到激光束，发现仍可以听到微弱的蜂鸣声.

2)悬空演示

把声源用双面胶粘在托盘上，接通磁浮底座电源，双手捧住托盘自上而下平稳地把声源悬浮在底盘的正上方. 用真空泵对钟罩抽气，随着钟罩内烟雾和空气的不断减少，看到激光束亮度逐渐减弱，听到蜂鸣声也随之减弱. 当激光束很暗时，暂时停止抽气，由于此时没有真空泵发出的干扰声，还可以听到微弱的蜂鸣声. 继续抽气直到激光束完全消失后停止抽气，此时完全听不到声源发出的蜂鸣声，说明声音的传播需要介质，若把手放在钟罩上，发现与声音的传播条件不同，光的传播并不需要介质，可以通过真空到达手心.

5 结束语

演示仪利用磁悬浮将声源和介质有效隔离，利用激光在烟雾中的丁达尔效应来指示抽气过程中钟罩内的真空程度，提高了实验的演示效果，同时也证明了光的传播无需介质. 实验仪更为直观高效，并且结构简洁、稳定，不仅可用于中小学物理教学，也可用于公益性科普展示.

参考文献：

[1] 任国胜. “真空不能传播声音”实验改进 [J]. 物理实验,2010,30(5)：27.

[2] 王朝鲁. 磁悬外置式真空不能传声实验装置 [J]. 物理实验,2015,35(2)：23-24.

[3] 朱长明，邓春兰，黄广华. 利用磁悬浮演示真空不传声[J]. 物理实验,2013,33(2)：17-18.

[4] 哈尔滨工业大学应用物理专业实验教学中心. “DIY电磁混合悬浮实验系统”设计与实现[J]. 物理实验,2017,37(7)：38.