自制演示型電磁炮及其相關(guān)研究

唐 勇 費(fèi)付聰 周延懷

（南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

電磁炮實驗是一個經(jīng)典的體現(xiàn)電磁相互作用的實驗，也是當(dāng)今應(yīng)用物理領(lǐng)域的研究熱點.自制電磁炮的演示模型，不僅可以加深學(xué)生對電磁相互作用的理解，也可以培養(yǎng)學(xué)生對物理實驗的興趣，并學(xué)會運(yùn)用“控制變量法”進(jìn)行具體的科學(xué)實驗研究.

1 自制電磁炮的設(shè)計參數(shù)

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(gòu)成，將常規(guī)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(shù)

炮管由漆包線纏繞有機(jī)玻璃管制成，長約1m，線圈匝數(shù)在100匝左右，而實驗炮彈由普通鐵釘制成，長度L＝7cm，質(zhì)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(fā)生過載而燒毀的情況.經(jīng)過數(shù)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(chǔ).

3.1 電磁炮炮彈速度與發(fā)射電壓的關(guān)系研究

閉合電磁炮充電開關(guān)，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(shù)據(jù)如表1所示.

表1

通過SPSS統(tǒng)計軟件對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性的分析.結(jié)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(guān)性高達(dá)0.995.將表1中的數(shù)據(jù)輸入Origin中進(jìn)行處理，可以得到速度和電壓關(guān)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(guān)系.線性擬合得到炮彈速度和電壓的關(guān)系公式為v＝0.0481U＋2.2414.

圖3

對線性關(guān)系公式進(jìn)行檢驗，實驗發(fā)現(xiàn)，電磁炮的速度隨著電壓增大會逐漸趨于穩(wěn)定，并不會無限增加，而線性關(guān)系公式無法解釋這一結(jié)果.經(jīng)過其他類型的擬合，發(fā)現(xiàn)電磁炮的炮彈速度和電壓關(guān)系更接近乘冪關(guān)系（如圖4所示），擬合出的公式為v＝0.1962U0.7759，當(dāng)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(zhuǎn)化效率的計算

表2

從表中結(jié)果可以看出，電磁炮能量轉(zhuǎn)換效率并不高，從總體上來看，能量轉(zhuǎn)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(fā)射初始位置的關(guān)系

在實驗測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁炮炮彈處于不同的發(fā)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(fā)射位置的具體關(guān)系.根據(jù)“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(fā)射初始位置關(guān)系如表3所示.

表3

將表3中的數(shù)據(jù)輸入統(tǒng)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(jù)多項式模型進(jìn)行擬合，得到曲線的函數(shù)公式為v＝－2.7804x2＋0.8275x＋14.956.

圖5

4 結(jié)論

通過自制演示型電磁炮，研究了電磁炮炮彈速度與發(fā)射電壓和發(fā)射初始位置的關(guān)系.結(jié)果顯示，電磁炮炮彈速度與發(fā)射電壓呈乘冪關(guān)系，與發(fā)射初始位置呈二次函數(shù)關(guān)系.在收獲相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的同時，也具體地展示了對“控制變量法”的運(yùn)用.

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

2 陸果.基礎(chǔ)物理學(xué)教程［M］.北京：高等教育出版社，2009：297－314.

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

4 貴培炎.多級電磁槍基本原理與實驗?zāi)M［J］.工業(yè)技術(shù)，2011（38）：15.