基于電磁技術(shù)的“真空不可傳聲”實(shí)驗(yàn)研究

曾隱峰

摘 要：針對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的真空環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)的聲音通過(guò)底座產(chǎn)生的“固體傳聲”問(wèn)題，本文利用電磁懸浮將其隔開(kāi)、利用電磁感應(yīng)為聲光系統(tǒng)提供電力從而在根本上解決底座“固體傳聲”問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)做效果對(duì)比分析.

關(guān)鍵詞：真空;固體傳聲;磁懸浮;無(wú)線傳電;負(fù)壓表值

文章編號(hào)：1008-4134（2020）06-0019 ? ?中圖分類號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象是人教版八年級(jí)《物理》2011版的“聲現(xiàn)象”“真空罩中的鬧鈴”演示實(shí)驗(yàn)，即“真空不可傳聲實(shí)驗(yàn)”.該演示實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生了解聲音可以在固體、液體以及氣體等介質(zhì)傳播知識(shí)后進(jìn)行的演示實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：通過(guò)人工制造的真空環(huán)境下進(jìn)行“真空中的鬧鈴”實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察得出結(jié)論：真空環(huán)境下沒(méi)有介質(zhì)而不可傳聲.

2 研究背景

學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)時(shí)，視覺(jué)上直接能看到發(fā)聲體與底座的接觸，部分學(xué)生還可能聽(tīng)到通過(guò)底座傳出來(lái)的微小聲音.學(xué)生剛剛經(jīng)過(guò)固體可以傳聲的學(xué)習(xí)，很容易產(chǎn)生一些疑惑，如“真空到底可否傳聲”“真空環(huán)境下的固體可否傳聲？”等，為此教師采用反證法處理這個(gè)問(wèn)題，對(duì)學(xué)生物理思維的科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性是一種挑戰(zhàn).

由于該實(shí)驗(yàn)存在的年代比較久遠(yuǎn)，目前已經(jīng)很難找到能夠連續(xù)響鈴兩分鐘以上的雙發(fā)條鬧鐘.因此很多教師都采用了基于原電池供電的電鈴，手機(jī)，收音機(jī)等器材作為發(fā)聲體.而在真空下（非標(biāo)準(zhǔn)狀況）使用原電池會(huì)提高漏液甚至是爆炸的概率.

3 設(shè)計(jì)思路

鑒于以上問(wèn)題，將通過(guò)以下思路解決教材實(shí)驗(yàn)所面臨的問(wèn)題.

（1）利用電磁懸浮技術(shù)將發(fā)聲體浮起來(lái)，讓學(xué)生在視覺(jué)上看到發(fā)聲體與底座（或玻璃罩）的零接觸，消除學(xué)生思維疑慮的同時(shí)，讓學(xué)生體驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度.

（2）利用電磁感應(yīng)技術(shù)為發(fā)聲體供電，從而避免原電池在非標(biāo)準(zhǔn)狀況的使用.讓實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn).

（3）利用封裝技巧，使用有機(jī)硅灌封膠材料，為真空中工作的元件做好溫控，保障在實(shí)驗(yàn)中元件能夠正常運(yùn)作.

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖（如圖1所示）

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖（如圖2所示）

4.3 各實(shí)驗(yàn)方案部件名稱（見(jiàn)表1）

5 實(shí)驗(yàn)步驟

本文采用的是方案1的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與教材實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)比.

5.1 方案1設(shè)備實(shí)驗(yàn)步驟

（1）接通磁懸浮電源，將浮子組件放好浮起來(lái).

（2）接通無(wú)線供電發(fā)射模塊電源，使聲光組件正常工作.

（3）蓋好玻璃罩，關(guān)閉閥門1、打開(kāi)閥門2，啟動(dòng)真空泵抽真空.

（4）當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)備最大真空度時(shí)，保持閥門1關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉閥門2，關(guān)閉真空泵.

（5）保持閥門2關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)閥門1改變真空度達(dá)實(shí)驗(yàn)所需要求.

（6）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

（7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，打開(kāi)閥門1，當(dāng)玻璃罩內(nèi)氣壓與環(huán)境氣壓相同時(shí)，打開(kāi)玻璃罩，回收浮子等組件，關(guān)閉總電源.

5.2 教材實(shí)驗(yàn)步驟

（1）撤去磁懸浮模塊，通過(guò)塑料支起聲光元件.

（2）接通無(wú)線供電發(fā)射模塊電源，使聲光組件正常工作.

（3）蓋好玻璃罩，關(guān)閉閥門1、打開(kāi)閥門2，啟動(dòng)真空泵抽真空.

（4）當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)備最大真空度時(shí)，保持閥門1關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉閥門2，關(guān)閉真空泵.

（5）保持閥門2關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)閥門1改變真空度達(dá)實(shí)驗(yàn)所需要求.

（6）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

（7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，打開(kāi)閥門1，當(dāng)玻璃罩內(nèi)氣壓與環(huán)境氣壓相同時(shí)，打開(kāi)玻璃罩，回收浮子等組件，關(guān)閉總電源.

6 數(shù)據(jù)采集

6.1 采集原理

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是隨機(jī)抽取20名（10男、10女）學(xué)生進(jìn)行以上兩次實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù);實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生分為4組，每組5人并與玻璃罩相隔1.5米成扇形站好，以模擬正常上課時(shí)第一排學(xué)生到玻璃罩的距離;實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生閉眼聆聽(tīng)，當(dāng)聽(tīng)到蜂鳴器的聲音時(shí)舉手示意，直到該次實(shí)驗(yàn)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖如圖3所示.

6.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，環(huán)境噪音屬于安靜，聲強(qiáng)為33dB（數(shù)據(jù)取自于AS804B分貝計(jì)）;海拔162米（數(shù)字取自于谷歌衛(wèi)星地圖），氣溫15.6℃（數(shù)字取自于HTC-1溫濕計(jì)），濕度55%（數(shù)字取自于HTC-1溫濕計(jì)），氣壓1003hPa（數(shù)字取自于氣象局，即0.1003MPa）;距離真空罩1.5米處發(fā)聲體聲強(qiáng)為78dB（數(shù)字取自于AS804B分貝計(jì)）.

所記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：每個(gè)學(xué)生聽(tīng)到蜂鳴器聲音與對(duì)應(yīng)的最小負(fù)壓值.具體為：當(dāng)在方案1實(shí)驗(yàn)時(shí)，玻璃罩內(nèi)的真空表壓值是自-0.098MPa向上等差增加，當(dāng)學(xué)生第一次聽(tīng)到聲音，就在對(duì)應(yīng)負(fù)壓值數(shù)據(jù)上面記錄“浮”;同理，當(dāng)學(xué)生第一次在教材實(shí)驗(yàn)聽(tīng)到聲音的相應(yīng)表壓值時(shí)，用“固”在相應(yīng)負(fù)壓值上面做記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

7 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可明確看到：

（1）全體學(xué)生在與真空罩相隔1.5米距離下，使用教材實(shí)驗(yàn)方案，在設(shè)備最大真空度（負(fù)壓計(jì)表壓-0.098MPa，絕對(duì)壓強(qiáng)2300Pa）時(shí)，全部學(xué)生就聽(tīng)到了微弱聲音.仔細(xì)分析原因，不難發(fā)現(xiàn)是發(fā)聲體聲音主要通過(guò)底座傳出來(lái).

（2）全體學(xué)生在與真空罩相隔1.5米距離下，使用方案1實(shí)驗(yàn)，絕對(duì)壓強(qiáng)到達(dá)16300Pa（負(fù)壓計(jì)表壓-0.084MPa）時(shí)學(xué)生才開(kāi)始聽(tīng)到微弱聲音.

8 總結(jié)

首先，相對(duì)于發(fā)聲體與底座（玻璃罩）接觸的教材實(shí)驗(yàn)，方案1實(shí)驗(yàn)已經(jīng)讓學(xué)生在視覺(jué)上看到了發(fā)聲體與底座（玻璃罩）的分離，不再有“看到固體傳聲”一說(shuō).這使得學(xué)生可在一個(gè)更加科學(xué)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下專心學(xué)習(xí)真空不能傳聲原理;教師也無(wú)需再用反證法去聲明教材實(shí)驗(yàn)中聽(tīng)到的微弱聲音就是“看到”的固體傳聲.

其次，玻璃罩中氣體壓強(qiáng)主要是受到海拔、真空泵（等級(jí)、功率和保養(yǎng)程度）和氣路設(shè)備氣密性的影響，目前所有科研實(shí)驗(yàn)室做不到真正意義上0Pa的真空，基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室更是如此.因此學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中能聽(tīng)到微弱的聲音第二個(gè)來(lái)源是氣體（低氣壓的“真空”）傳聲，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到通過(guò)阻斷固體傳聲可以大幅度地降低實(shí)驗(yàn)對(duì)絕對(duì)壓強(qiáng)的要求（表壓值變大）.本文方案1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也消除了固體傳聲的影響，讓學(xué)生在聽(tīng)覺(jué)上也有良好實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，如果因?yàn)槟承┰蚴沟谜婵照謨?nèi)氣體絕對(duì)壓強(qiáng)太高，并造成前排學(xué)生能聽(tīng)到微弱噪聲（低氣壓氣體傳聲）這一情況，還是需要教師通過(guò)對(duì)玻璃罩自最低氣壓值開(kāi)始不斷加壓讓聲音逐漸增大證明（反證法）真空不能傳聲.

在真空度良好、全體學(xué)生都沒(méi)有聽(tīng)到蜂鳴器聲音情況下（達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果），教師可以在完成“真空不能傳聲”的直觀實(shí)驗(yàn)結(jié)論講解后，再對(duì)真空罩內(nèi)進(jìn)行加壓，讓學(xué)生體驗(yàn)隨著空氣密度的增加從而聲音逐步增大的科學(xué)探究體驗(yàn)過(guò)程.

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（收稿日期：2019-12-18）