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(xué)，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(xué)，陜西 西安 710025)

利用電磁感應(yīng)定律設(shè)計(jì)了電磁炮演示儀，采用控制變量法，以子彈質(zhì)量和電壓作為參量，得到當(dāng)子彈質(zhì)量為6 g，電壓為450 V時(shí)裝置安全性能和子彈的出口速度達(dá)到較好程度，此時(shí)子彈的出口速度為v=25.08 m/s. 該演示儀小型化、透明化，設(shè)計(jì)思路簡單，有利于學(xué)生理解電磁炮原理.

電磁感應(yīng)定律；電磁炮；出口速度

電磁炮是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種先進(jìn)的動能殺傷武器. 與傳統(tǒng)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(tǒng)中電磁場對磁性物體的作用力將子彈從炮管中發(fā)射出去. 因?yàn)槠渥饔玫臅r(shí)間要比火藥作用的時(shí)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(yīng)定律，學(xué)生普遍存在著對于原理概念模糊、難以深入理解的現(xiàn)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(dāng)前此類儀器出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出電磁炮演示儀，該演示儀由充電模塊和發(fā)射模塊組成，2部分之間可自行拆裝，裝置實(shí)現(xiàn)小型化，各元器件空間分布更加便于演示講解. 設(shè)計(jì)出成品后，通過實(shí)驗(yàn)測試得出在安全性能以及出口速度方面最優(yōu)的情況.

1 物理原理及改進(jìn)方法

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電磁炮演示儀利用強(qiáng)脈沖電磁能來發(fā)射子彈. 演示儀采用線圈式推進(jìn)，多級電容放電，從而產(chǎn)生較強(qiáng)電流作用. 電流通過線圈后產(chǎn)生瞬間的強(qiáng)磁場，作用在金屬子彈上產(chǎn)生渦流，子彈受到安培力作用后加速. 通過一級線圈后，觸發(fā)光電門，導(dǎo)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(fā)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(zhuǎn)化為子彈的動能和內(nèi)能. 線圈將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿?，通過電磁相互作用，最終實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換：

(1)

整理得：

(2)

式中k為電能的轉(zhuǎn)換效率. 從式(2)看出出口速度跟電壓以及子彈質(zhì)量有關(guān)，設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)分別對不同電壓條件下以及不同子彈質(zhì)量下的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以得到最佳的結(jié)果.

目前，市場上電磁炮演示儀主要存在的問題：

1)能量的轉(zhuǎn)化效率不高，線圈發(fā)熱量大，裝置易被損壞；

2)裝置內(nèi)部構(gòu)造不可見，無法通過電路構(gòu)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(nèi)部封閉，不利于查找問題和維修.

針對現(xiàn)有儀器存在的問題，將操作流程分為3步：第一步，打開開關(guān)K1，電源對裝置進(jìn)行充電，升壓模塊將電壓升至450 V對電容充電，LED顯示屏實(shí)時(shí)顯示電容電壓，當(dāng)電壓升至所需值時(shí)，關(guān)閉K1. 第二步，打開開關(guān)K2，光電門導(dǎo)通. 第三步，將子彈放入炮管，打開開關(guān)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(fā)第一級光電門，電容對第二級線圈充電，子彈進(jìn)一步加速. 依次通過4級線圈后，子彈從炮管中發(fā)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(guān)組成. 發(fā)射模塊由線圈、炮管、光電門組成. 2者之間可進(jìn)行獨(dú)立的維修. 模塊之間采用串口相連，模塊化實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化. 裝置外殼采用透明的有機(jī)玻璃，元器件的排布更加直觀的展現(xiàn)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(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器原理圖如圖1所示，實(shí)物裝置如圖2所示. 具體改進(jìn)如下：

圖1 原理圖

圖2 儀器外形圖

1)使用電導(dǎo)率較高的漆包線，減少導(dǎo)線內(nèi)部的消耗. 準(zhǔn)備具有更高性能的電容，減少內(nèi)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(guān)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(fā)射模塊組成，制作出儀器尺寸為28.6 cm×12.6 cm×9 cm，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化. 為保證儀器安全，采用多級開關(guān)、限壓設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示3種方式進(jìn)行保護(hù).

4)可以直接觀測儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，模塊之間也可自行拆裝，便于進(jìn)行獨(dú)立的維修.

2 技術(shù)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)收集采用控制變量法. 實(shí)驗(yàn)分別以電壓和子彈質(zhì)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(jù)儀器所要求的安全性能，得出最佳的子彈質(zhì)量和電壓[5]. 測量數(shù)據(jù)如表1～2所示.

表1 子彈質(zhì)量為自變量測量數(shù)據(jù)

表2 電壓為自變量測量數(shù)據(jù)

如表1所示，不同質(zhì)量的子彈會有不同出口速度. 當(dāng)電壓為450 V且子彈質(zhì)量為4 g時(shí)，子彈的速度達(dá)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(chǎn)生不同的速度. 當(dāng)子彈質(zhì)量為5 g時(shí)，在450 V的電壓下，子彈的速度達(dá)到30.04 m/s. 考慮到演示的安全和便于觀察，實(shí)驗(yàn)最后采用450 V，子彈質(zhì)量6 g，子彈出口速度為25.08 m/s

3 結(jié)束語

在現(xiàn)實(shí)的生活中，電磁炮由于威力巨大，導(dǎo)致難以將其應(yīng)用于課堂的教學(xué)當(dāng)中. 本次研究得到了在電壓為450 V，子彈質(zhì)量為6 g時(shí)子彈的出口速度達(dá)25.08 m/s，這個(gè)速度便于教學(xué)實(shí)踐. 課題組設(shè)計(jì)的電磁炮小巧易拆裝、可重復(fù)利用也便于維修，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，便于觀察，且價(jià)格便宜. 這樣設(shè)計(jì)的電磁炮演示儀，無論從安全性能還是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求.

[1] 張龍霞，李碧清，霍敏. 國外電磁炮發(fā)展概述[J]. 飛航導(dǎo)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(shí)驗(yàn)，2008,28(3)：16-18.

[3] 桂培炎. 多級電磁槍基本原理與實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J]. 工業(yè)技術(shù)，2011(38):15.

[4] 王富民. 低壓電磁炮教學(xué)演示儀[J]. 教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2013(12)：46-47.

[5] 潘彩娟，覃煥昌，黃紅強(qiáng). 電磁炮基本原理的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M[J]. 廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002,8(4)：74-76.

[責(zé)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(xué)2013級本科生.

羅積軍(1974-)，男，陜西淳化人，火箭軍工程大學(xué)副教授，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理工作.

O441.3

A

1005-4642(2017)02-0054-03

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文