“電磁炮”模型在楞次定律教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：介紹了感應(yīng)式線圈炮模型的構(gòu)造及制作方法，并且在教學(xué)實踐中進(jìn)行了運用，收到了良好效果。

關(guān)鍵詞：楞次定律；電磁炮模型；物理教學(xué)；感應(yīng)式線圈炮

“楞次定律”是人教版《物理》選修3-2第四章“電磁感應(yīng)”第三節(jié)的內(nèi)容，它是電磁感應(yīng)的基本規(guī)律之一，為我們判定感應(yīng)電流的方向提供了理論依據(jù)。楞次定律表述中感應(yīng)電流的方向與產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因之間的關(guān)系，對于學(xué)生來說非常抽象。雖然教材中用框圖的形式總結(jié)給出了判定感應(yīng)電流的方向的四步操作方法，學(xué)生理解起來依然存在較大困難。

在實際教學(xué)中，教師常常利用演示實驗或者學(xué)生自主探究實驗的方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)知識。例如，讓條形磁鐵進(jìn)入或者離開接有靈敏電流計的閉合線圈，分析線圈中感應(yīng)電流的變化；把閉合和斷開的鋁環(huán)架在轉(zhuǎn)軸上，用條形磁鐵分別靠近或者遠(yuǎn)離，觀察所發(fā)生的現(xiàn)象。以上傳統(tǒng)實驗都能不同程度地驗證楞次定律，但筆者經(jīng)過多次實踐，覺得上述實驗現(xiàn)象還不很明顯，因此，筆者根據(jù)電磁炮原理制作了一種能很好地驗證楞次定律的模型，經(jīng)過使用，學(xué)生十分感興趣，效果良好。

電磁炮又稱脈沖能量電磁炮，是一種先進(jìn)的動能武器，與傳統(tǒng)的以火藥為動力的大炮相比，具有初速大、射程遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)勢。電磁炮可分為軌道電磁炮、線圈電磁炮和磁力線重接炮三種，其中線圈電磁炮又分為磁阻式線圈炮和感應(yīng)式線圈炮。其中感應(yīng)式線圈炮是給線圈通過強(qiáng)大電流，引起線圈中磁通量的突變，使拋體中產(chǎn)生感應(yīng)電流以及磁場，這個磁場和原磁場相互作用從而驅(qū)動拋體前進(jìn)。感應(yīng)式線圈炮運用了楞次定律，所以筆者簡單談一談應(yīng)線式線圈炮模型的制作過程及工作原理。

感應(yīng)式線圈炮模型主要由充電回路、控制開關(guān)、發(fā)射線圈和拋體等部分組成。充電回路用來給儲能電容充電，而給充電回路供電可以用220 V市電或者蓄電池。市電是交流電，不能用來直接給電容充電，需要經(jīng)過升壓、整流的過程。采用220 V市電的優(yōu)點是充電速度快，插上插座即可使用。但這種方法的缺點也很明顯：有致命危險！本模型采用普通干電池串聯(lián)供電，電池電壓較低，所以需要升壓后再給電容充電。電容是儲存電能的設(shè)備，它可以提供瞬間的強(qiáng)大電流。本模型基于使用場景及Maxwell軟件的模擬，選用耐壓450 V，容量為2200 uf的電容。

接下來介紹發(fā)射回路，發(fā)射回路的核心是發(fā)射線圈，它是線圈電磁炮模型的主要部件，用來產(chǎn)生磁場給拋體提供推力。線圈纏繞的形狀、匝數(shù)對是否能夠成功發(fā)射拋體起到了決定性的影響。根據(jù)Maxwell軟件的模擬結(jié)果，線圈在較大的扁平比的情況下可以得到較好的發(fā)射效果。所以本模型采用直徑30 mm，厚6 mm的多層線圈，使用直徑1 mm的漆包線緊密繞制。發(fā)射拋體瞬間會產(chǎn)生極大的電磁力，有可能導(dǎo)致線圈撕裂，因此繞完線圈后需要用502膠水或者熱熔膠固定線圈并且填充漆包線之間的縫隙。

拋體的受力以及發(fā)射速度與材料的電導(dǎo)率以及密度有很大聯(lián)系。比較銅、鋁、鋅三種金屬材料，其中鋁的密度遠(yuǎn)小于銅和鋅，而電導(dǎo)率相差不大，因此，鋁獲得的加速度要遠(yuǎn)大于其他兩種金屬材料。另外，拋體的感應(yīng)電流主要集中在拋體的后部，適當(dāng)減少拋體的長度，幾乎不影響電流通路，但卻大大減少了拋體的質(zhì)量，也能提高拋體的加速度。因此，選用電導(dǎo)率較高而密度小的鋁作為拋體的材料，加工成直徑30 mm、厚4 mm的圓盤形，這樣可以提高拋體的發(fā)射速度。

發(fā)射開關(guān)的選擇也很重要。一般的輕觸式開關(guān)無法承受上千安培這個數(shù)量級的電流，而可控硅面對這么大的電流也難以勝任，非常容易燒壞。因此，空氣開關(guān)成了比較理想的選擇。較好的空氣開關(guān)可以承受4500 A、0.1 S，比可控硅性能要好很多，成本也比較低。

實驗時，接通充電開關(guān)，6V直流電經(jīng)三極管產(chǎn)生振蕩電流，經(jīng)電感線圈升壓、二極管整流后輸出高壓直流電給電容充電。待電容充電結(jié)束后，斷開充電開關(guān)，接著閉合空氣開關(guān)，發(fā)射線圈中就會有瞬時的大電流流過，產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場。與此同時，放置于線圈上的鋁質(zhì)拋體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生與發(fā)射線圈中的磁場相反的磁場。這兩個相反的磁場間就會產(chǎn)生很強(qiáng)大的電磁力，可以把拋體“啪”地一聲發(fā)射很遠(yuǎn)。經(jīng)筆者多次試驗，觀察到本裝置可以將拋體發(fā)射至十幾米高。如果要更好地驗證楞次定律，還可以在發(fā)射線圈上加裝斷電裝置，

使其電流突然消失，那么發(fā)射線圈可以從較遠(yuǎn)處將拋體吸引過來，這是因為拋體感應(yīng)產(chǎn)生了與發(fā)射線圈中方向相同的磁場。本裝置實驗現(xiàn)象明顯，電路簡單明了，便于學(xué)生觀察理解。在學(xué)習(xí)“楞次定律”這一節(jié)時，筆者在課堂上展示并且讓學(xué)生操作本模型，學(xué)生對此興趣強(qiáng)烈，從而能更好地幫助學(xué)習(xí)楞次定律，收到了良好效果。

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[2]李如年，王敬，王海.新概念動能武器電磁炮[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2011.

編輯 李建軍