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        利用磁懸浮演示真空不傳聲

        2013-12-01 01:54:40朱長(zhǎng)明鄧春蘭黃廣華
        物理實(shí)驗(yàn) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        朱長(zhǎng)明,鄧春蘭,黃廣華

        (廣州大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,廣東 廣州510006)

        1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的不足

        真空不傳聲實(shí)驗(yàn)最基本的實(shí)驗(yàn)裝置是真空抽氣機(jī)和真空罩,里面放發(fā)聲元件,通常為電池驅(qū)動(dòng)的電鈴.演示現(xiàn)象表現(xiàn)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(yàn)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(yàn)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(xì)分析發(fā)現(xiàn)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(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)的效果.有人建議把電鈴用細(xì)繩或者金屬掛鉤吊在真空罩頂部[1-2],同時(shí)提高了響度,實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(xì)繩連接,當(dāng)繩拉直時(shí),一人對(duì)著一個(gè)紙杯輕聲講話(huà),另一人在10m遠(yuǎn)的地方用另一個(gè)紙杯罩著耳朵可以聽(tīng)見(jiàn)對(duì)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(rèn)為“這樣裝置與外界媒介接觸最少”[2],說(shuō)明設(shè)計(jì)者也知道與外界接觸會(huì)導(dǎo)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(xiàn)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(yīng)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(xiàn),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(cè)永久磁鐵到電磁鐵處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B,并通過(guò)負(fù)反饋電路調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小,從而調(diào)節(jié)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(xiàn)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(shù)磁懸浮都是通過(guò)下懸浮的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3-5].

        3 磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yīng)用.我們采用深圳生產(chǎn)的磁懸浮產(chǎn)品,型號(hào)為KD005-CT,以下懸浮的方式實(shí)現(xiàn).電源適配器輸入電壓AC 100~240V,輸出DC 9V.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(bào)器(壓電式直流蜂鳴器),型號(hào)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(hào)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(jī)采用直聯(lián)RS-1型真空泵,選用上海生產(chǎn)派澳牌型號(hào)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(duì)真空的刻度為-0.1MPa,實(shí)際測(cè)得抽氣機(jī)最高真空度為-0.098MPa).聲級(jí)計(jì)由NTi Audio公司生產(chǎn),型號(hào)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(dǎo)致警報(bào)聲非常尖銳,給聽(tīng)眾以深刻的印象,為保護(hù)聽(tīng)眾的耳朵,事先給每人發(fā)2團(tuán)醫(yī)用棉花(衛(wèi)生,降噪).磁懸浮演示真空不傳聲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示,實(shí)物圖見(jiàn)圖2.

        圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

        圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

        4 實(shí)驗(yàn)步驟

        1)測(cè)試地點(diǎn)選在6樓長(zhǎng)15m寬9m的實(shí)驗(yàn)室中,關(guān)閉門(mén)窗,以防止干擾別人或者受外界干擾,清除桌面雜物.實(shí)驗(yàn)裝置距實(shí)驗(yàn)室最近的墻壁為3m,用煤氣橡膠管和銅質(zhì)帶閥門(mén)的三通管連接真空罩、真空表和抽氣機(jī),閥門(mén)全開(kāi),磁懸浮底座通電.

        2)沿豎直方向往下,雙手托住磁鐵托盤(pán),小心地放上,實(shí)現(xiàn)磁懸浮.如果位置不對(duì)放不上,不要松手,也不要水平移動(dòng)尋找中心點(diǎn),須再次舉高托盤(pán)重新放置.

        3)安裝鈕扣電池,用手輕輕托住磁鐵托盤(pán),放上發(fā)聲元件.用棉花塞住耳朵,接通警報(bào)器電源,綠燈亮,警報(bào)聲響起,罩上玻璃罩,取出耳中的棉花.此時(shí)可測(cè)量出磁鐵托盤(pán)與真空罩底座平面相距約12.9cm.

        4)分貝計(jì)設(shè)置為:SPL/RTA;測(cè)試結(jié)果以柱狀圖形顯示,以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻譜分析;濾波器設(shè)置為FLAT平坦的頻率響應(yīng)(無(wú)濾波器);SET中AUTO POWER OFF設(shè)為10min,AUTO LIGHT OFF設(shè)為3s,LCD CONGTRAST設(shè)為中等,HULTIPL SETUP設(shè)為能;記憶菜單 MEM選STORE;計(jì)時(shí)器TIMER選SINGLE,周期設(shè)為3s;量程選20~100dB,由于分貝計(jì)刻度僅7格,不能完全顯示量程內(nèi)所有值,有必要在測(cè)試中根據(jù)分貝值的大小和縱坐標(biāo)的最小刻度上下移動(dòng)縱坐標(biāo)以便于顯示所測(cè)的數(shù)值,為提高精度,通常選每大格為5dB而不是10dB.SET子菜單中分辨率RES選1/3,測(cè)試結(jié)果顯示設(shè)為最大最小聲壓級(jí)范圍,讀數(shù)取最大聲壓值;TWTD時(shí)間計(jì)權(quán)設(shè)為FAST.由于警報(bào)器從頂端發(fā)出,測(cè)試過(guò)程中,分貝計(jì)的拾音頭應(yīng)指向警報(bào)器頂端并與其保持在同一水平面上.

        5)抽氣,測(cè)試真空度為-0.095MPa時(shí)0.20,0.50,1.00,2.00,5.00,10.00m 處的響度.

        6)對(duì)磁懸浮裝置不抽氣時(shí)在上述位置做相同的測(cè)試.

        7)使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置,更換全新的鈕扣電池,把底座換成沒(méi)有磁懸浮裝置的抽氣盤(pán),警報(bào)器直接放在抽氣盤(pán)上,抽氣,控制真空度為-0.095MPa.在上述不同位置做相同的測(cè)試.

        8)重復(fù)步驟7),不換電池,不抽氣.

        5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

        由于聲級(jí)計(jì)量程的限制,20.0dB以下不顯示,環(huán)境噪聲在20.0~22.0dB之間波動(dòng).測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

        表1 利用不同方法在不同位置處分貝計(jì)測(cè)得的響度分貝值A(chǔ)

        利用表1數(shù)據(jù)作圖,可看出磁懸浮后抽真空所體現(xiàn)出的顯著變化.由圖3可知,磁懸浮裝置抽氣后1.00m處已經(jīng)基本接近最小值,特別是在課室有幾十個(gè)學(xué)生的情況下,人耳是聽(tīng)不見(jiàn)的.

        圖3 不同位置處的響度

        6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)罩內(nèi)真空小于0.05個(gè)大氣壓(5.05×103Pa)時(shí),距離聲源1m以上時(shí)實(shí)驗(yàn)演示效果最佳,磁懸浮在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用,有效地克服了傳統(tǒng)固體傳聲的缺陷.由于采用的是鈕扣電池,續(xù)航能力有限,建議實(shí)驗(yàn)不要超過(guò)10min.

        [1]葉又軍.簡(jiǎn)易真空不傳聲演示器[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備,2010(4):69.

        [2]陸魁春,劉典文,沈新科.真空不能傳聲的實(shí)驗(yàn)演示[J].物理實(shí)驗(yàn),2003,23(9):30-34.

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        [4]舒信隆,景培書(shū),張路一.磁懸浮運(yùn)動(dòng)演示儀[J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(5):16-21.

        [5]李貞融.電磁感應(yīng)與磁懸浮力實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(6):34-38.

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