簡易電磁炮的制作與研究

余雪妹

(浙江省溫州第二高級中學(xué),浙江 溫州 325007)

電磁炮,是利用電磁力沿導(dǎo)軌發(fā)射炮彈的一種武器,具有很好的發(fā)展前景．本文就想通過實驗制作一個簡易電磁炮,來研究炮彈發(fā)射距離的影響因素．

1 工作原理

電磁炮是利用電磁力代替火藥爆炸力來加速彈丸的電磁發(fā)射系統(tǒng),其工作原理是位于磁場中的導(dǎo)體在通電時會受到安培力作用(人教版高中物理選修3-1第3章第4節(jié)內(nèi)容),加速向前飛出．

那么如何產(chǎn)生驅(qū)動炮彈的磁場,并讓電流經(jīng)過炮彈,使它獲得前進的動力呢?一個最簡單的電磁炮設(shè)計如下:用兩根導(dǎo)體制成軌道,中間放置炮彈,使電流可以通過三者建立回路．把這個裝置放在磁場中,并給炮彈通電,炮彈就會加速向前飛出．

2 實驗器材

電容器(4800 μF,35 V)10個、電路板4個、漆包線、PVC管10 cm、鐵釘若干、蓄電池12 V、學(xué)生電源、數(shù)字萬用表1只、膠帶紙1卷、單刀雙擲開關(guān)1只、PVC管和鐵釘若干．

3 實驗設(shè)計

圖1 裝置正視圖

簡易電磁炮主要由電源、單刀雙擲開關(guān)、加速裝置(電容器、炮管)和炮彈4部分組成(如圖1所示)．

(1) 電源:12 V蓄電池,用于電容器充電．

圖2 工作電路示意圖

(2) 單刀雙擲開關(guān):開關(guān)接圖2b端時,電源給電容器充電;開關(guān)接圖2a端時,電容器瞬間放電在炮管內(nèi)產(chǎn)生磁場．

(3) 加速裝置(電容器、炮管):將漆包線一圈圈繞在PVC管上(100圈左右),制成炮管(如圖3，圖4所示);由n個電容器并聯(lián)而成(以3個電容為一組,依次連接在電路板上,將電容器正極與正極焊接,負極與負極焊接),制成電容器組．先接通電源對電容器充電,然后依靠電容器瞬間放電,一頭纏繞N圈漆包線的炮管可以產(chǎn)生磁場,發(fā)射炮彈(鐵釘)．

(4) 炮彈(鐵釘,如圖3所示):通電時,炮彈(鐵釘)在磁場中受到安培力作用,加速向前飛出．

圖3 核心部件 圖4 不同型號的炮管

4 使用方法

4.1 充電

將單刀雙擲開關(guān)撥到一邊,在開關(guān)閉合的一瞬間產(chǎn)生白色電火花,讓蓄電池給電容器充電大約3 s．

4.2 放置

將鐵釘置入炮管中有漆包線的部分,將炮管傾斜一個角度,但使鐵釘不至于掉落．

4.3 發(fā)射

將單刀雙擲開關(guān)撥到另一邊,通過電容器瞬間放電,產(chǎn)生一個很大的瞬間電流,并產(chǎn)生一個很大的瞬間磁場,因為單位時間內(nèi)磁通量變化很大,所以鐵釘會受到一個很大的推力將鐵釘被推出,產(chǎn)生較大的動量,如同炮彈發(fā)射一般,并借此發(fā)射出炮管．

5 實驗用途

5.1 課內(nèi)演示

利用本實驗裝置,可以在課內(nèi)進行安培力演示實驗,讓學(xué)生進一步體會磁場對電流的作用力,體現(xiàn)物理在科技中的應(yīng)用．

5.2 課外探究

利用本實驗裝置,還可以在課外進行以下實驗課題的研究．

(1) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與電容器數(shù)量的關(guān)系.

(2) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與電源電壓的關(guān)系.

(3) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與電容器充電時間的關(guān)系.

(4) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與鐵釘發(fā)射角度的關(guān)系.

(5) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與鐵釘置入炮管距離的關(guān)系.

(6) 控制其他影響因素,研究電磁炮發(fā)射距離與炮管長度的關(guān)系．

通過這些實驗探究性教學(xué),進一步激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣、合作交流和自主研究能力．

以上是根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中受力加速的原理而制作的簡易電磁炮,并利用此模型探究鐵釘飛行距離的幾個影響因素(如電容器的數(shù)量、電容器充電的時間、電源的電壓、發(fā)射角度、鐵釘置入炮管距離等)．實驗裝置設(shè)計新穎,取材容易、結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉,環(huán)保易于操作,便于自制和推廣,希望能給教學(xué)同仁一定的借鑒作用．