自制演示型電磁炮及其相關研究

唐 勇 費付聰 周延懷

（南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210023）

電磁炮實驗是一個經典的體現電磁相互作用的實驗，也是當今應用物理領域的研究熱點.自制電磁炮的演示模型，不僅可以加深學生對電磁相互作用的理解，也可以培養學生對物理實驗的興趣，并學會運用“控制變量法”進行具體的科學實驗研究.

1 自制電磁炮的設計參數

1.1 電磁炮充放電電路

電磁炮的電路主要由充電電路和放電電路兩部分組成（如圖1所示），核心部件是充電電路的整流橋和電容.整流橋由4個二極管構成，將常規電源的交流電整為直流電.電容則采用“450V，2200μF”的大電容.

圖1

1.2 電磁炮炮管和炮彈參數

炮管由漆包線纏繞有機玻璃管制成，長約1m，線圈匝數在100匝左右，而實驗炮彈由普通鐵釘制成，長度L＝7cm，質量m＝10g.

2 自制電磁炮實物模型

圖2

3 影響電磁炮速度的因素研究

在電磁炮實物模型的制作過程中，一定要正確選擇電子元器件的型號，否則容易發生過載而燒毀的情況.經過數次嘗試，最終制作出電磁炮的實物模型（如圖2所示），并為接下來的實驗研究奠定了基礎.

3.1 電磁炮炮彈速度與發射電壓的關系研究

閉合電磁炮充電開關，用電壓表測量電容兩端的電壓，觀測不同電壓下的電磁炮炮彈速度.實驗數據如表1所示.

表1

通過SPSS統計軟件對表1中的數據進行Pearson相關性的分析.結果顯示，在0.01顯著性水平上，電磁炮的炮彈速度和電容器電壓的相關性高達0.995.將表1中的數據輸入Origin中進行處理，可以得到速度和電壓關系的散點圖（圖3）.初步判斷，電磁炮炮彈速度和電容器電壓接近線性關系.線性擬合得到炮彈速度和電壓的關系公式為v＝0.0481U＋2.2414.

圖3

對線性關系公式進行檢驗，實驗發現，電磁炮的速度隨著電壓增大會逐漸趨于穩定，并不會無限增加，而線性關系公式無法解釋這一結果.經過其他類型的擬合，發現電磁炮的炮彈速度和電壓關系更接近乘冪關系（如圖4所示），擬合出的公式為v＝0.1962U0.7759，當電壓U逐漸增大時，速度v會趨于一個定值.

圖4

3.2 能量轉化效率的計算

表2

從表中結果可以看出，電磁炮能量轉換效率并不高，從總體上來看，能量轉換效率隨著電壓的增大而逐漸降低.

3.3 電磁炮炮彈速度與發射初始位置的關系

在實驗測試中發現，當電磁炮炮彈處于不同的發射初始位置時，炮彈的出射速度也會有所不同，所以有必要研究炮彈的出射速度與發射位置的具體關系.根據“控制變量法”，實驗將充電電壓固定為250V，選取炮管尾端為參考零點，x為炮彈尾部到參考零點的位移，得到炮彈速度與發射初始位置關系如表3所示.

表3

將表3中的數據輸入統計軟件，得到的散點圖非常類似于多項式的圖像（如圖5所示），根據多項式模型進行擬合，得到曲線的函數公式為v＝－2.7804x2＋0.8275x＋14.956.

圖5

4 結論

通過自制演示型電磁炮，研究了電磁炮炮彈速度與發射電壓和發射初始位置的關系.結果顯示，電磁炮炮彈速度與發射電壓呈乘冪關系，與發射初始位置呈二次函數關系.在收獲相關實驗數據的同時，也具體地展示了對“控制變量法”的運用.

1 趙凱華，陳熙謀.電磁學［M］.北京：高等教育出版社，2006：117－118.

2 陸果.基礎物理學教程［M］.北京：高等教育出版社，2009：297－314.

3 朱英偉，嚴仲明，謝曉芳等.磁阻型線圈發射減速力研究［J］.電工電能新技術，2010（2）：62－66.

4 貴培炎.多級電磁槍基本原理與實驗模擬［J］.工業技術，2011（38）：15.