基于电磁技术的“真空不可传声”实验研究

曾隐峰

摘 要：针对教材实验的真空环境下会出现的声音通过底座产生的“固体传声”问题，本文利用电磁悬浮将其隔开、利用电磁感应为声光系统提供电力从而在根本上解决底座“固体传声”问题，并通过实验做效果对比分析.

关键词：真空;固体传声;磁悬浮;无线传电;负压表值

文章编号：1008-4134（2020）06-0019    中图分类号：G633.7    文献标识码：B

1 研究对象

本文的研究对象是人教版八年级《物理》2011版的“声现象”“真空罩中的闹铃”演示实验，即“真空不可传声实验”.该演示实验是在学生了解声音可以在固体、液体以及气体等介质传播知识后进行的演示实验.实验内容是：通过人工制造的真空环境下进行“真空中的闹铃”实验，引导学生观察得出结论：真空环境下没有介质而不可传声.

2 研究背景

学生在观察实验时，视觉上直接能看到发声体与底座的接触，部分学生还可能听到通过底座传出来的微小声音.学生刚刚经过固体可以传声的学习，很容易产生一些疑惑，如“真空到底可否传声”“真空环境下的固体可否传声？”等，为此教师采用反证法处理这个问题，对学生物理思维的科学性、严谨性是一种挑战.

由于该实验存在的年代比较久远，目前已经很难找到能够连续响铃两分钟以上的双发条闹钟.因此很多教师都采用了基于原电池供电的电铃，手机，收音机等器材作为发声体.而在真空下（非标准状况）使用原电池会提高漏液甚至是爆炸的概率.

3 设计思路

鉴于以上问题，将通过以下思路解决教材实验所面临的问题.

（1）利用电磁悬浮技术将发声体浮起来，让学生在视觉上看到发声体与底座（或玻璃罩）的零接触，消除学生思维疑虑的同时，让学生体验严谨的实验态度.

（2）利用电磁感应技术为发声体供电，从而避免原电池在非标准状况的使用.让实验的整体设计更加严谨.

（3）利用封装技巧，使用有机硅灌封胶材料，为真空中工作的元件做好温控，保障在实验中元件能够正常运作.

4 實验设备结构

4.1 实验设备结构设计方案图（如图1所示）

4.2 实验设备实物图（如图2所示）

4.3 各实验方案部件名称（见表1）

5 实验步骤

本文采用的是方案1的实验设备与教材实验设备对比.

5.1 方案1设备实验步骤

（1）接通磁悬浮电源，将浮子组件放好浮起来.

（2）接通无线供电发射模块电源，使声光组件正常工作.

（3）盖好玻璃罩，关闭阀门1、打开阀门2，启动真空泵抽真空.

（4）当真空度达到设备最大真空度时，保持阀门1关闭状态，关闭阀门2，关闭真空泵.

（5）保持阀门2关闭状态，通过阀门1改变真空度达实验所需要求.

（6）进行实验并统计数据.

（7）数据统计，打开阀门1，当玻璃罩内气压与环境气压相同时，打开玻璃罩，回收浮子等组件，关闭总电源.

5.2 教材实验步骤

（1）撤去磁悬浮模块，通过塑料支起声光元件.

（2）接通无线供电发射模块电源，使声光组件正常工作.

（3）盖好玻璃罩，关闭阀门1、打开阀门2，启动真空泵抽真空.

（4）当真空度达到设备最大真空度时，保持阀门1关闭状态，关闭阀门2，关闭真空泵.

（5）保持阀门2关闭状态，通过阀门1改变真空度达实验所需要求.

（6）进行实验并统计数据.

（7）数据统计后，打开阀门1，当玻璃罩内气压与环境气压相同时，打开玻璃罩，回收浮子等组件，关闭总电源.

6 数据采集

6.1 采集原理

本次实验数据是随机抽取20名（10男、10女）学生进行以上两次实验获取的数据;实验时，学生分为4组，每组5人并与玻璃罩相隔1.5米成扇形站好，以模拟正常上课时第一排学生到玻璃罩的距离;实验时，要求学生闭眼聆听，当听到蜂鸣器的声音时举手示意，直到该次实验结束，实验过程图如图3所示.

6.2 实验环境

在物理实验室进行实验，环境噪音属于安静，声强为33dB（数据取自于AS804B分贝计）;海拔162米（数字取自于谷歌卫星地图），气温15.6℃（数字取自于HTC-1温湿计），湿度55%（数字取自于HTC-1温湿计），气压1003hPa（数字取自于气象局，即0.1003MPa）;距离真空罩1.5米处发声体声强为78dB（数字取自于AS804B分贝计）.

所记录的实验数据为：每个学生听到蜂鸣器声音与对应的最小负压值.具体为：当在方案1实验时，玻璃罩内的真空表压值是自-0.098MPa向上等差增加，当学生第一次听到声音，就在对应负压值数据上面记录“浮”;同理，当学生第一次在教材实验听到声音的相应表压值时，用“固”在相应负压值上面做记录，实验数据见表2.

7 数据分析

通过以上数据可明确看到：

（1）全体学生在与真空罩相隔1.5米距离下，使用教材实验方案，在设备最大真空度（负压计表压-0.098MPa，绝对压强2300Pa）时，全部学生就听到了微弱声音.仔细分析原因，不难发现是发声体声音主要通过底座传出来.

（2）全体学生在与真空罩相隔1.5米距离下，使用方案1实验，绝对压强到达16300Pa（负压计表压-0.084MPa）时学生才开始听到微弱声音.

8 总结

首先，相对于发声体与底座（玻璃罩）接触的教材实验，方案1实验已经让学生在视觉上看到了发声体与底座（玻璃罩）的分离，不再有“看到固体传声”一说.这使得学生可在一个更加科学规范的实验环境下专心学习真空不能传声原理;教师也无需再用反证法去声明教材实验中听到的微弱声音就是“看到”的固体传声.

其次，玻璃罩中气体压强主要是受到海拔、真空泵（等级、功率和保养程度）和气路设备气密性的影响，目前所有科研实验室做不到真正意义上0Pa的真空，基础教学实验室更是如此.因此学生在实验中能听到微弱的声音第二个来源是气体（低气压的“真空”）传声，从实验数据可以看到通过阻断固体传声可以大幅度地降低实验对绝对压强的要求（表压值变大）.本文方案1实验设计也消除了固体传声的影响，让学生在听觉上也有良好实验体验，如果因为某些原因使得真空罩内气体绝对压强太高，并造成前排学生能听到微弱噪声（低气压气体传声）这一情况，还是需要教师通过对玻璃罩自最低气压值开始不断加压让声音逐渐增大证明（反证法）真空不能传声.

在真空度良好、全体学生都没有听到蜂鸣器声音情况下（达到理想的实验效果），教师可以在完成“真空不能传声”的直观实验结论讲解后，再对真空罩内进行加压，让学生体验随着空气密度的增加从而声音逐步增大的科学探究体验过程.

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（收稿日期：2019-12-18）