電磁炮演示儀的制作

蘇祥華，羅積軍，候素霞，崔 巖，李了一

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

電磁炮演示儀的制作

蘇祥華，羅積軍，候素霞，崔 巖，李了一

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

利用電磁感應定律設計了電磁炮演示儀，采用控制變量法，以子彈質量和電壓作為參量，得到當子彈質量為6 g，電壓為450 V時裝置安全性能和子彈的出口速度達到較好程度，此時子彈的出口速度為v=25.08 m/s. 該演示儀小型化、透明化，設計思路簡單，有利于學生理解電磁炮原理.

電磁感應定律；電磁炮；出口速度

電磁炮是利用電磁發射技術制成的一種先進的動能殺傷武器. 與傳統的大炮將火藥氣壓力作用于彈丸不同，電磁炮是利用電磁系統中電磁場對磁性物體的作用力將子彈從炮管中發射出去. 因為其作用的時間要比火藥作用的時間長得多，所以彈丸可以獲得較大的速度和射程[1].

在課堂講授電磁感應定律，學生普遍存在著對于原理概念模糊、難以深入理解的現象. 目前，市場上此類演示儀器大都存在著體積較大，難以維修，不利于觀察等問題. 研究者以電磁炮為原型并對當前此類儀器出現的問題進行研究，設計出電磁炮演示儀，該演示儀由充電模塊和發射模塊組成，2部分之間可自行拆裝，裝置實現小型化，各元器件空間分布更加便于演示講解. 設計出成品后，通過實驗測試得出在安全性能以及出口速度方面最優的情況.

1 物理原理及改進方法

根據電磁感應定律，電磁炮演示儀利用強脈沖電磁能來發射子彈. 演示儀采用線圈式推進，多級電容放電，從而產生較強電流作用. 電流通過線圈后產生瞬間的強磁場，作用在金屬子彈上產生渦流，子彈受到安培力作用后加速. 通過一級線圈后，觸發光電門，導通次級線圈，子彈又在安培力的作用下加速. 通過多級線圈后，子彈發射出去[2]，位于炮管口的測速儀測量子彈速度.

電磁炮將電源的電能轉化為子彈的動能和內能. 線圈將電能轉變為磁場能，通過電磁相互作用，最終實現能量的轉換：

(1)

整理得：

(2)

式中k為電能的轉換效率. 從式(2)看出出口速度跟電壓以及子彈質量有關，設計對照實驗分別對不同電壓條件下以及不同子彈質量下的情況進行實驗，以得到最佳的結果.

目前，市場上電磁炮演示儀主要存在的問題：

1)能量的轉化效率不高，線圈發熱量大，裝置易被損壞；

2)裝置內部構造不可見，無法通過電路構造講原理；

3)裝置體積較大，不利于攜帶，課堂演示的難度較大；

4)裝置內部封閉，不利于查找問題和維修.

針對現有儀器存在的問題，將操作流程分為3步：第一步，打開開關K1，電源對裝置進行充電，升壓模塊將電壓升至450 V對電容充電，LED顯示屏實時顯示電容電壓，當電壓升至所需值時，關閉K1. 第二步，打開開關K2，光電門導通. 第三步，將子彈放入炮管，打開開關K3，電容對第一級線圈充電，子彈在磁場中受到力的作用加速. 通過一級線圈后，子彈觸發第一級光電門，電容對第二級線圈充電，子彈進一步加速. 依次通過4級線圈后，子彈從炮管中發射出去，速度在位于炮管口的測速儀中顯示出來[3].

充電模塊由電源、升壓模塊、電容、可控硅、開關組成. 發射模塊由線圈、炮管、光電門組成. 2者之間可進行獨立的維修. 模塊之間采用串口相連，模塊化實現了裝置的小型化. 裝置外殼采用透明的有機玻璃，元器件的排布更加直觀的展現了裝置的工作原理.

通過上述方法，課題組對電磁炮演示儀進行了改進，改進后的儀器原理圖如圖1所示，實物裝置如圖2所示. 具體改進如下：

圖1 原理圖

圖2 儀器外形圖

1)使用電導率較高的漆包線，減少導線內部的消耗. 準備具有更高性能的電容，減少內部的充放電損耗[4].

2)裝置外殼采用透明的亞克力板，采用多級開關控制，并將各元器件按照工作順序排布，演示過程中可以體會到裝置的工作原理.

3)裝置采取模塊化，由充電模塊和發射模塊組成，制作出儀器尺寸為28.6 cm×12.6 cm×9 cm，實現裝置的小型化. 為保證儀器安全，采用多級開關、限壓設置、實時顯示3種方式進行保護.

4)可以直接觀測儀器內部結構，模塊之間也可自行拆裝，便于進行獨立的維修.

2 技術指標及實驗數據

數據收集采用控制變量法. 實驗分別以電壓和子彈質量為自變量，出口速度為因變量，采用測速儀測出子彈的出口速度. 通過比較子彈的出口速度，并根據儀器所要求的安全性能，得出最佳的子彈質量和電壓[5]. 測量數據如表1～2所示.

表1 子彈質量為自變量測量數據

表2 電壓為自變量測量數據

如表1所示，不同質量的子彈會有不同出口速度. 當電壓為450 V且子彈質量為4 g時，子彈的速度達到最大，為36.62 m/s. 如表2所示，在不同的電壓下，相同的子彈會在磁場中產生不同的速度. 當子彈質量為5 g時，在450 V的電壓下，子彈的速度達到30.04 m/s. 考慮到演示的安全和便于觀察，實驗最后采用450 V，子彈質量6 g，子彈出口速度為25.08 m/s

3 結束語

在現實的生活中，電磁炮由于威力巨大，導致難以將其應用于課堂的教學當中. 本次研究得到了在電壓為450 V，子彈質量為6 g時子彈的出口速度達25.08 m/s，這個速度便于教學實踐. 課題組設計的電磁炮小巧易拆裝、可重復利用也便于維修，實驗現象明顯，便于觀察，且價格便宜. 這樣設計的電磁炮演示儀，無論從安全性能還是實驗現象方面都達到了設計的要求.

[1] 張龍霞，李碧清，霍敏. 國外電磁炮發展概述[J]. 飛航導彈，2011(11)：23-27.

[2] 王喆，閆海青，鐘鼎，等. 多功能電磁炮演示儀[J]. 物理實驗，2008,28(3)：16-18.

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

[4] 王富民. 低壓電磁炮教學演示儀[J]. 教學儀器與實驗，2013(12)：46-47.

[5] 潘彩娟，覃煥昌，黃紅強. 電磁炮基本原理的教學與實驗模擬[J]. 廣西民族大學學報(自然科學版)，2002,8(4)：74-76.

[責任編輯：郭 偉]

Electromagnetic gun demonstration instrument

SU Xiang-hua, LUO Ji-jun, HOU Su-xia, CUI Yan, LI Le-yi

(Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China)

An electromagnetic gun demonstration instrument was designed based on the law of electromagnetic induction. Using the control variable method, chose the bullet mass and voltage as parameters, the exit velocity of the bullet was measured. When the mass of bullet was 6 g, voltage was 450 V, the optimal exit velocity wasv=25.08 m/s. The instrument was minitype, transparent and simple. It was beneficial to student's understanding of the principle of electromagnetic gun.

law of electromagnetic induction; electromagnetic gun; exit velocity

2016-05-31；修改日期：2016-10-22

蘇祥華(1996-)，男，湖南岳陽人，火箭軍工程大學2013級本科生.

羅積軍(1974-)，男，陜西淳化人，火箭軍工程大學副教授，碩士，主要從事大學物理實驗教學與管理工作.

O441.3

A

1005-4642(2017)02-0054-03

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文