電磁炮演示儀的制作及優(yōu)化

李佳婧　蔡靈怡　傅盈　康梓浩

摘要：本文基于磁阻式線圈炮和平拋運(yùn)動(dòng)的模型原理制作可用于課堂演示的電磁炮演示儀。磁阻式線圈炮利用驅(qū)動(dòng)線圈的鐵磁磁路磁阻的變化吸引鐵芯運(yùn)動(dòng)來(lái)加速鐵芯彈丸的，通過(guò)控制變量法來(lái)研究線圈的粗細(xì)與電壓這兩個(gè)參數(shù)對(duì)子彈發(fā)射速度的影響，由于忽略空氣阻力，把子彈射出炮管后下落的過(guò)程視為平拋運(yùn)動(dòng)，所以通過(guò)平拋運(yùn)動(dòng)原理測(cè)量計(jì)算發(fā)射速度。我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化電磁炮演示儀，加強(qiáng)其穩(wěn)定性、安全性、簡(jiǎn)潔性、操作性，增加多個(gè)等級(jí)實(shí)驗(yàn)，希望我們制作的模型能運(yùn)用于課堂演示。本論文為上海工程技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目cx1621005提供支持，為該項(xiàng)目的項(xiàng)目成果之一。

關(guān)鍵詞：電磁炮；線圈炮；磁阻式；平拋運(yùn)動(dòng)；鐵芯；控制變量

1引言

人類(lèi)的武器發(fā)展史從最早原始人使用木制、石制工具狩獵等到如今熟練應(yīng)用和掌握各種高科技武器，武器的打擊距離、打擊精度和打擊效率在不斷地提高。

近現(xiàn)代以來(lái)，常規(guī)武器——火炮等基本已經(jīng)達(dá)到理論數(shù)據(jù)可達(dá)到的最大值。電磁炮以其初速高、動(dòng)能大、能源簡(jiǎn)單、隱蔽性好、彈丸形狀多樣、裝填方便和效率高等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和航天等方面都有很好的應(yīng)用前景。作為一種新概念武器的電磁炮在近十余年來(lái)發(fā)展迅速，研究成果顯著，逐漸成為了世界各國(guó)重要的軍事武器。

電磁炮根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為軌道炮、線圈炮和重接炮三類(lèi)。現(xiàn)今世界，軌道炮和線圈炮的發(fā)展比較快速和成熟，可用于實(shí)際武器中。我們主要研究線圈炮中的磁阻線圈炮是利用驅(qū)動(dòng)線圈的鐵磁磁路磁阻的變化吸引鐵芯運(yùn)動(dòng)來(lái)加速鐵芯彈丸的。

本文基于線圈炮的模型原理制作可用于課堂演示的電磁炮演示儀模型。對(duì)于制作線圈炮模型而言，考慮到影響實(shí)驗(yàn)的因素很多，我們決定用控制變量法來(lái)研究線圈的粗細(xì)與電壓對(duì)子彈發(fā)射速射的影響。希望我們制作的模型能運(yùn)用于課堂演示。

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色主要體現(xiàn)于：

1）在熟悉掌握電磁學(xué)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，加深科技運(yùn)用能力，增強(qiáng)動(dòng)手能力。

2）優(yōu)化電磁炮演示儀，加強(qiáng)穩(wěn)定性、安全性、簡(jiǎn)潔性、操作性，同時(shí)使其劃分為幾個(gè)等級(jí)實(shí)驗(yàn)，為不同程度的學(xué)生提供便利。

3）此實(shí)驗(yàn)的成果可應(yīng)用于課教學(xué)，為老師的課堂教學(xué)提供幫助。

2電磁線圈炮的制作方案

我們選擇的是線圈炮來(lái)作為我們的展示儀。線圈炮是利用發(fā)射筒上圍繞的線圈中的電磁力來(lái)加速?gòu)椡璧碾姶虐l(fā)射系統(tǒng)，我們所研究的線圈電磁炮屬于單級(jí)磁阻式線圈炮，閉合發(fā)射開(kāi)關(guān)，電容器作為脈沖直流電源對(duì)線圈放電，使電容瞬間放電產(chǎn)生極大的電流，電流經(jīng)過(guò)線圈產(chǎn)生超強(qiáng)的磁場(chǎng)，從而使彈丸（鐵芯）瞬時(shí)加速，依靠慣性射出固定線圈管。其中影響本次實(shí)驗(yàn)因素的有線圈的單位長(zhǎng)度，線圈的匝數(shù)，線圈炮炮筒的長(zhǎng)度，線圈炮炮筒的內(nèi)半徑，線圈的長(zhǎng)度，螺線管通入電流與源電壓等。

首先，我們嘗試了趙新新老師提到的方案。我們首先畫(huà)出了線圈炮的結(jié)構(gòu)圖，其次我們購(gòu)買(mǎi)了線圈炮的材料一數(shù)控式直流穩(wěn)壓可調(diào)電源、三組35V-4700uF電容、可控開(kāi)關(guān)、7*9mm透明聚四氟乙烯管、6mm、8mm漆聚氨酯漆包線、導(dǎo)線、鐵釘?shù)取Ｔ诮M裝中，我們首先裁剪2個(gè)相同長(zhǎng)度5cm的透明聚四氟乙烯管作為炮筒，然后在分別在炮筒上繞上6mm與8mm的線圈，因?yàn)榫€圈的匝數(shù)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，所以我們決定繞三圈即匝數(shù)為3。制作好發(fā)射筒，下一步是安裝電容與發(fā)射開(kāi)關(guān)，但是值得注意的是在連接電容時(shí)我們首先要確認(rèn)電容的正負(fù)極。其次我們用導(dǎo)線連接各個(gè)部件，最后連接外接電源。

3線圈炮發(fā)射實(shí)驗(yàn)

考慮到影響實(shí)驗(yàn)的因素很多，我們決定用控制變量法來(lái)研究線圈的粗細(xì)與電壓對(duì)子彈發(fā)射速射的影響。因?yàn)樵谧訌椛涑雠诠軙r(shí)我們可以將子彈下落的過(guò)程視為做平拋運(yùn)動(dòng)一物體以一定的初速度水平拋出，并且物體僅受重力重力作用。因?yàn)樽訌棌呐诠馨l(fā)射出是一個(gè)平拋運(yùn)動(dòng)，所以子彈的水平位移僅與從炮管發(fā)射出的速度和平拋開(kāi)始時(shí)的高度有關(guān)。因此我們我們將電磁炮放置在高度為8cm的發(fā)射臺(tái)，并且可以控制變量的方法依次進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)每一次記錄子彈下落的水平位移而推算出子彈從炮管發(fā)出的速度。為了試驗(yàn)的精準(zhǔn)性-即記錄子彈下落的第一個(gè)位置（為了防止子彈下落滑行而帶來(lái)的誤差），我們?cè)谧訌椀念^上沾上了紅墨水，并且在發(fā)射的臺(tái)上鋪上白紙以便測(cè)量。

以下為我們的實(shí)驗(yàn)步驟：

首先我們?cè)?mm線圈繞成的線圈炮的裝置中，改變電壓，依次為15V、20V、25V、30V，接著放置做好標(biāo)記子彈，控制開(kāi)關(guān)，發(fā)射，依次記錄下炮彈發(fā)射的水平距離。

接著我在8mm線圈繞成的線圈炮的裝置中，改變電壓，依次為15V、20V、25V、30V，接著放置做好標(biāo)記子彈，控制開(kāi)關(guān)，發(fā)射，依次記錄下炮彈發(fā)射的水平距離。

通過(guò)計(jì)算出炮彈發(fā)射出的速度，我們可以得出以下結(jié)論：

1）在其它條件不變的情況下，子彈從炮管發(fā)射出的速度v與電壓成正比，反之亦然。

2）在其它條件不變的情況下，子彈從炮管發(fā)射出的速度v與發(fā)射管包裹的線圈粗細(xì)成正比，反之亦然。

4平拋測(cè)量原理

彈丸發(fā)射過(guò)程能量轉(zhuǎn)換是從電能轉(zhuǎn)換為磁能最后到動(dòng)能，在彈丸發(fā)射出去離開(kāi)線圈炮管后做平拋運(yùn)動(dòng)，彈丸初速度沿水平方向，不考慮空氣阻力，在豎直方向只受到重力的作用，初速度不為零，由于速度方向與受力方向不在一條直線上，故彈丸的平拋運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)槭芰愣ǎ允莿蜃兯偾€運(yùn)動(dòng)，因此它的加速度是常量，等于g，它的v坐標(biāo)的變化符合勻加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律：y=（1/2）gt²，于是，測(cè)量彈丸的下落距離y，根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)可以算出彈丸下落到這點(diǎn)所用的時(shí)間t，再測(cè)出彈丸移動(dòng)的水平距離x，根據(jù)x=vot就可以得到拋體的初速度

5總結(jié)

實(shí)驗(yàn)初期，我們考慮了多種對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素，最后我們確定兩個(gè)變量，電壓以及線圈的粗細(xì)，著手制作我們的電磁炮演示儀。剛開(kāi)始制作的時(shí)候我們以恒定電壓接入電磁炮演示儀，為了檢驗(yàn)演示儀的接線是否正確，能否正常發(fā)射。

中期部分，為了追求實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，對(duì)于線圈的規(guī)格我們進(jìn)行了進(jìn)一步要求與加工，重新纏繞了不同粗細(xì)同時(shí)盡量確保匝數(shù)線圈層數(shù)相同的線圈。并接入新購(gòu)進(jìn)的外接可變電源，進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)┢冢覀儗?duì)電磁炮演示儀接通不同的電壓，以及確定電壓更換不同線圈我們進(jìn)行了數(shù)據(jù)的測(cè)試，為了得到最接近實(shí)際的發(fā)射速度，我們進(jìn)行多次測(cè)試，得出了我們認(rèn)為比較完美的數(shù)據(jù)。

在以上的實(shí)驗(yàn)中，我們所選取的材料簡(jiǎn)單，容易購(gòu)買(mǎi)并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且對(duì)學(xué)生有一定的操作性。我們用最簡(jiǎn)便的方式就可以達(dá)到我們所想要的教學(xué)效果，所以對(duì)學(xué)校而已是一個(gè)一舉兩得的好方案。對(duì)學(xué)生而言，電磁炮的演示儀可以大大的推動(dòng)同學(xué)們將理論用于實(shí)踐的熱情。即可以達(dá)到本次實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化作用也起到了教學(xué)示范作用。