科學玩具－熱學－會唱歌的鐵管

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年08月26日。

聲音是波動呈現的一種方式，我們可以發現能量可以透過介質而傳遞，帶有能量的聲音和物體振動有關，也就是空氣僅為傳遞路線中的一部分橋樑，透過這些橋樑我們才聽得見聲音。例如吹直笛的時候，管內空氣柱的振動使得管子發出聲音，停止吹氣時，聲音便消失，所以擾動是發生在不同長短的空氣柱上。如果我們捨棄了吹氣的方式，選擇其他方法讓管內有物質的進出與能量的流動，那麼同樣可以發出聲音嗎？

需要的材料有鐵管（口徑1.5吋、管壁1.3mm、長度0.5m）、粗鐵網及鐵網剪

不過管內還要焊接鐵條

這套聲音組件是從台東帶回來的，當時蔡振明老師在演示的時候還有段小小的失火插曲，所以使用上要特別注意，而且純粹由教師示範就好，不適合讓學生自行操作。除了主要的鐵管與鐵網之外，另外還需要加熱鐵網用的噴燈、隔熱的手套、降溫用的濕抹布以及安全防範用的小型滅火器。

內部焊有十字交叉的鐵條，用意是讓鐵網有固定的位置

使得鐵網塞進鐵管時不致陷入太深，而讓噴燈加熱不易

把一至二層鐵網塞到管內的十字交叉鐵條上，向管內推至距離管口大約7公分左右，固定後還要再測試穩定度，以免移動或加熱時不慎掉落。設計如此深度的理由是方便擺置鐵網，即使用手也能輕易完成，另外一個原因就是考量到加熱的便利性，噴燈的火焰長度雖然可以調整，但總不希望加熱的物體在管內太深的地方，而在太淺的地方則使得演示效果不佳。

一手以水平的方式拿著鐵管，另一隻手拿著噴燈對管內的鐵網加熱，約一分鐘後，讓鐵網呈現紅熱即可關閉噴燈，接著讓鐵管直立起來，就能聽到鐵管發出相當大的低沉聲響。當鐵管處於水平狀態時，聲響便停止；鐵管處於直立狀態時，聲響恢復。加熱一回，可以示範好幾次聲音的出現與消失。

握著鐵管的手務必穿帶隔熱手套，避免熱能經由金屬傳遞而燙傷

可以思考一下為什麼水平持管時不發聲，而直立鐵管時才由聲響出現呢？

為何加熱鐵網後的管子會發出聲音？相對的，冷的管子為什麼不會？肇因於鐵管一端的鐵網因噴燈的高溫火焰而持續被加熱，而溫度高的一端與溫度低的另一端出現了溫度差異，此時將管子豎立起來（有鐵網的一端在下方），會在管內形成上升氣流。熾熱鐵網附近的空氣受熱膨脹，運動到頂端管口時遇冷收縮，膨脹和收縮不停的交替出現，所以能持續地振動發聲。

此外，管中從鐵網附近到管口處的氣體因密度不同而產生對流，且空氣在管內形成駐波，如同笛子的發聲原理般。若將鐵管水平放置時並不會有聲音產生，這是因為管中的高熱氣體此時是從兩端開口逸出，無法形成駐波。

如果因為物體本身的構造而振動的話，必須要有維持振動的能源才能持續發聲。在這個示範活動中，需要維持鐵網與頂端出口之間的溫度差異，若差異減小，聲音便會逐漸減弱。

這個實驗需要小心燒燙傷或避免引起火災，因為鐵管不論是在噴燈加熱中或是離開火源後都處於高溫狀態，所以要準備濕抹布放在一邊，等實驗一結束之後立刻用它冷卻鐵管，而不要把高溫鐵管直接放在桌上。