电磁炮演示仪的制作

苏祥华，罗积军，候素霞，崔 岩，李了一

(火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

电磁炮演示仪的制作

苏祥华，罗积军，候素霞，崔 岩，李了一

(火箭军工程大学，陕西 西安 710025)

利用电磁感应定律设计了电磁炮演示仪，采用控制变量法，以子弹质量和电压作为参量，得到当子弹质量为6 g，电压为450 V时装置安全性能和子弹的出口速度达到较好程度，此时子弹的出口速度为v=25.08 m/s. 该演示仪小型化、透明化，设计思路简单，有利于学生理解电磁炮原理.

电磁感应定律；电磁炮；出口速度

电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器. 与传统的大炮将火药气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场对磁性物体的作用力将子弹从炮管中发射出去. 因为其作用的时间要比火药作用的时间长得多，所以弹丸可以获得较大的速度和射程[1].

在课堂讲授电磁感应定律，学生普遍存在着对于原理概念模糊、难以深入理解的现象. 目前，市场上此类演示仪器大都存在着体积较大，难以维修，不利于观察等问题. 研究者以电磁炮为原型并对当前此类仪器出现的问题进行研究，设计出电磁炮演示仪，该演示仪由充电模块和发射模块组成，2部分之间可自行拆装，装置实现小型化，各元器件空间分布更加便于演示讲解. 设计出成品后，通过实验测试得出在安全性能以及出口速度方面最优的情况.

1 物理原理及改进方法

根据电磁感应定律，电磁炮演示仪利用强脉冲电磁能来发射子弹. 演示仪采用线圈式推进，多级电容放电，从而产生较强电流作用. 电流通过线圈后产生瞬间的强磁场，作用在金属子弹上产生涡流，子弹受到安培力作用后加速. 通过一级线圈后，触发光电门，导通次级线圈，子弹又在安培力的作用下加速. 通过多级线圈后，子弹发射出去[2]，位于炮管口的测速仪测量子弹速度.

电磁炮将电源的电能转化为子弹的动能和内能. 线圈将电能转变为磁场能，通过电磁相互作用，最终实现能量的转换：

(1)

整理得：

(2)

式中k为电能的转换效率. 从式(2)看出出口速度跟电压以及子弹质量有关，设计对照实验分别对不同电压条件下以及不同子弹质量下的情况进行实验，以得到最佳的结果.

目前，市场上电磁炮演示仪主要存在的问题：

1)能量的转化效率不高，线圈发热量大，装置易被损坏；

2)装置内部构造不可见，无法通过电路构造讲原理；

3)装置体积较大，不利于携带，课堂演示的难度较大；

4)装置内部封闭，不利于查找问题和维修.

针对现有仪器存在的问题，将操作流程分为3步：第一步，打开开关K1，电源对装置进行充电，升压模块将电压升至450 V对电容充电，LED显示屏实时显示电容电压，当电压升至所需值时，关闭K1. 第二步，打开开关K2，光电门导通. 第三步，将子弹放入炮管，打开开关K3，电容对第一级线圈充电，子弹在磁场中受到力的作用加速. 通过一级线圈后，子弹触发第一级光电门，电容对第二级线圈充电，子弹进一步加速. 依次通过4级线圈后，子弹从炮管中发射出去，速度在位于炮管口的测速仪中显示出来[3].

充电模块由电源、升压模块、电容、可控硅、开关组成. 发射模块由线圈、炮管、光电门组成. 2者之间可进行独立的维修. 模块之间采用串口相连，模块化实现了装置的小型化. 装置外壳采用透明的有机玻璃，元器件的排布更加直观的展现了装置的工作原理.

通过上述方法，课题组对电磁炮演示仪进行了改进，改进后的仪器原理图如图1所示，实物装置如图2所示. 具体改进如下：

图1 原理图

图2 仪器外形图

1)使用电导率较高的漆包线，减少导线内部的消耗. 准备具有更高性能的电容，减少内部的充放电损耗[4].

2)装置外壳采用透明的亚克力板，采用多级开关控制，并将各元器件按照工作顺序排布，演示过程中可以体会到装置的工作原理.

3)装置采取模块化，由充电模块和发射模块组成，制作出仪器尺寸为28.6 cm×12.6 cm×9 cm，实现装置的小型化. 为保证仪器安全，采用多级开关、限压设置、实时显示3种方式进行保护.

4)可以直接观测仪器内部结构，模块之间也可自行拆装，便于进行独立的维修.

2 技术指标及实验数据

数据收集采用控制变量法. 实验分别以电压和子弹质量为自变量，出口速度为因变量，采用测速仪测出子弹的出口速度. 通过比较子弹的出口速度，并根据仪器所要求的安全性能，得出最佳的子弹质量和电压[5]. 测量数据如表1～2所示.

表1 子弹质量为自变量测量数据

表2 电压为自变量测量数据

如表1所示，不同质量的子弹会有不同出口速度. 当电压为450 V且子弹质量为4 g时，子弹的速度达到最大，为36.62 m/s. 如表2所示，在不同的电压下，相同的子弹会在磁场中产生不同的速度. 当子弹质量为5 g时，在450 V的电压下，子弹的速度达到30.04 m/s. 考虑到演示的安全和便于观察，实验最后采用450 V，子弹质量6 g，子弹出口速度为25.08 m/s

3 结束语

在现实的生活中，电磁炮由于威力巨大，导致难以将其应用于课堂的教学当中. 本次研究得到了在电压为450 V，子弹质量为6 g时子弹的出口速度达25.08 m/s，这个速度便于教学实践. 课题组设计的电磁炮小巧易拆装、可重复利用也便于维修，实验现象明显，便于观察，且价格便宜. 这样设计的电磁炮演示仪，无论从安全性能还是实验现象方面都达到了设计的要求.

[1] 张龙霞，李碧清，霍敏. 国外电磁炮发展概述[J]. 飞航导弹，2011(11)：23-27.

[2] 王喆，闫海青，钟鼎，等. 多功能电磁炮演示仪[J]. 物理实验，2008,28(3)：16-18.

[3] 桂培炎. 多级电磁枪基本原理与实验模拟[J]. 工业技术，2011(38):15.

[4] 王富民. 低压电磁炮教学演示仪[J]. 教学仪器与实验，2013(12)：46-47.

[5] 潘彩娟，覃焕昌，黄红强. 电磁炮基本原理的教学与实验模拟[J]. 广西民族大学学报(自然科学版)，2002,8(4)：74-76.

[责任编辑：郭 伟]

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

苏祥华(1996-)，男，湖南岳阳人，火箭军工程大学2013级本科生.

罗积军(1974-)，男，陕西淳化人，火箭军工程大学副教授，硕士，主要从事大学物理实验教学与管理工作.

O441.3

A

1005-4642(2017)02-0054-03

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文