利用磁懸浮演示聲音不能在真空下傳播的特性

1、傳統實(shí)驗裝置的不足

　　真空不傳聲實(shí)驗最基本的實(shí)驗裝置是真空抽氣機和真空罩，里面放發(fā)聲元件，通常為電池驅動(dòng)的電鈴。演示現象表現為抽氣過(guò)程中鈴聲逐漸減小，但錘子一直在敲擊鈴鐺.有的實(shí)驗還會(huì )停止抽氣，繼而放氣，讓學(xué)生聽(tīng)鈴聲又逐漸變大.由此說(shuō)明真空是不能傳播聲音的。

　　該實(shí)驗即使在真空的狀態(tài)下，仍然能聽(tīng)到有一定響度的聲音傳出來(lái).仔細分析發(fā)現電鈴是放在底座上的，雖然沒(méi)有空氣，但底座成了傳播聲音的介質(zhì)，嚴重影響了實(shí)驗的效果.有人建議把電鈴用細繩或者金屬掛鉤吊在真空罩頂部，同時(shí)提高了響度，實(shí)驗效果有改善，但沒(méi)能從根本上解決傳播介質(zhì)問(wèn)題。筆者曾經(jīng)指導過(guò)學(xué)生做一個(gè)土電話(huà)，用兩個(gè)一次性紙杯，在底部穿孔用細繩連接，當繩拉直時(shí)，一人對著(zhù)一個(gè)紙杯輕聲講話(huà)，另一人在10m遠的地方用另一個(gè)紙杯罩著(zhù)耳朵可以聽(tīng)見(jiàn)對方的說(shuō)話(huà)，這種情形下繩子成了聲音傳播的介質(zhì)。文章認為“這樣裝置與外界媒介接觸最少”，說(shuō)明設計者也知道與外界接觸會(huì )導致聲音被泄漏，但沒(méi)有更好的方案使裝置完全不接觸。

2、磁懸浮原理

　　要想從根本上實(shí)現真空不傳聲，只有把發(fā)聲元件與真空罩完全隔離，即發(fā)聲元件懸浮在真空罩中.其中氣體噴射懸浮和注入液體懸浮的方法都會(huì )引入介質(zhì)，不宜選用，應采用不依靠任何介質(zhì)的懸浮方法，而這類(lèi)方法也有多種，最常見(jiàn)的是磁懸浮。

　　磁懸浮有2種方式：上懸浮和下懸浮.上懸浮通過(guò)異名磁極相互吸引來(lái)實(shí)現，固定端裝有電磁鐵和霍爾元件，下面懸掛一永久磁鐵.電磁鐵和永久磁鐵極性相反，相互吸引，使得永久磁鐵受到向上的吸引力與重力相等，磁鐵將處于平衡態(tài).霍爾元件用于偵測永久磁鐵到電磁鐵處的磁感應強度B，并通過(guò)負反饋電路調節電磁鐵電流的大小，從而調節磁鐵間吸引力的大小，維持永久磁鐵與電磁鐵之間的距離，保持永久磁鐵在空中的懸浮狀態(tài).下懸浮與此類(lèi)似，通過(guò)同名磁極相互排斥而實(shí)現懸浮.固定端在底座上，同樣裝有電磁鐵和霍爾元件，通常是4個(gè)電磁鐵共同提供排斥力以保持永久磁鐵的平衡.多數磁懸浮都是通過(guò)下懸浮的方式來(lái)實(shí)現的。

3、磁懸浮實(shí)驗裝置

　　實(shí)驗設計之所以可行，源于磁懸浮技術(shù)的日臻完善，在高科技的磁懸浮列車(chē)和一系列民用工藝品中磁懸浮技術(shù)都有廣泛的應用.我們采用深圳生產(chǎn)的磁懸浮產(chǎn)品，型號為KD005-CT，以下懸浮的方式實(shí)現。經(jīng)過(guò)真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)電源適配器輸入電壓AC 100～240V，輸出DC 9 V.永久磁鐵托盤(pán)直徑為54.82mm，厚度為12.56mm，質(zhì)量為135.0g，空載時(shí)懸浮高度約為15.2mm.發(fā)聲元件采用廣州番禺生產(chǎn)的警報器(壓電式直流蜂鳴器)，型號JN-5312，質(zhì)量為60.2g，直徑為54.42mm，高度為54.96mm，額定電壓DC 6～12V.鈕扣電池型號CR2032，4枚12V，外加一綠光二極管，安裝在一電路板上.總質(zhì)量為115.6g.真空罩采用J1017型，包括PVC底盤(pán)，直徑為18mm，高為2.3mm，用于密封的黑色橡膠墊片，全玻璃透明罩.抽氣機采用直聯(lián)RS-1型真空泵，選用上海生產(chǎn)派澳牌型號為Y-60的真空壓力表(該表以實(shí)際大氣壓為0 刻度線(xiàn)，絕對真空的刻度為-0.1MPa，實(shí)際測得抽氣機最高真空度為-0.098MPa).聲級計由NTi　Audio公司生產(chǎn)，型號為Acoustilyzer　AL1.為了提高演示效果，采用4 枚鈕扣電池12V，串聯(lián)一綠色發(fā)光二極管，用于說(shuō)明燈亮電源通，發(fā)光和發(fā)聲同時(shí)存在.12V直流將導致警報聲非常尖銳，給聽(tīng)眾以深刻的印象，為保護聽(tīng)眾的耳朵，事先給每人發(fā)2團醫用棉花(衛生，降噪).磁懸浮演示真空不傳聲實(shí)驗裝置示意圖如圖1所示，實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖1　實(shí)驗裝置示意圖

圖2　實(shí)驗裝置實(shí)物圖