简易电磁炮的制作与研究

余雪妹

(浙江省温州第二高级中学,浙江 温州 325007)

电磁炮,是利用电磁力沿导轨发射炮弹的一种武器,具有很好的发展前景．本文就想通过实验制作一个简易电磁炮,来研究炮弹发射距离的影响因素．

1 工作原理

电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统,其工作原理是位于磁场中的导体在通电时会受到安培力作用(人教版高中物理选修3-1第3章第4节内容),加速向前飞出．

那么如何产生驱动炮弹的磁场,并让电流经过炮弹,使它获得前进的动力呢?一个最简单的电磁炮设计如下:用两根导体制成轨道,中间放置炮弹,使电流可以通过三者建立回路．把这个装置放在磁场中,并给炮弹通电,炮弹就会加速向前飞出．

2 实验器材

电容器(4800 μF,35 V)10个、电路板4个、漆包线、PVC管10 cm、铁钉若干、蓄电池12 V、学生电源、数字万用表1只、胶带纸1卷、单刀双掷开关1只、PVC管和铁钉若干．

3 实验设计

图1 装置正视图

简易电磁炮主要由电源、单刀双掷开关、加速装置(电容器、炮管)和炮弹4部分组成(如图1所示)．

(1) 电源:12 V蓄电池,用于电容器充电．

图2 工作电路示意图

(2) 单刀双掷开关:开关接图2b端时,电源给电容器充电;开关接图2a端时,电容器瞬间放电在炮管内产生磁场．

(3) 加速装置(电容器、炮管):将漆包线一圈圈绕在PVC管上(100圈左右),制成炮管(如图3，图4所示);由n个电容器并联而成(以3个电容为一组,依次连接在电路板上,将电容器正极与正极焊接,负极与负极焊接),制成电容器组．先接通电源对电容器充电,然后依靠电容器瞬间放电,一头缠绕N圈漆包线的炮管可以产生磁场,发射炮弹(铁钉)．

(4) 炮弹(铁钉,如图3所示):通电时,炮弹(铁钉)在磁场中受到安培力作用,加速向前飞出．

图3 核心部件 图4 不同型号的炮管

4 使用方法

4.1 充电

将单刀双掷开关拨到一边,在开关闭合的一瞬间产生白色电火花,让蓄电池给电容器充电大约3 s．

4.2 放置

将铁钉置入炮管中有漆包线的部分,将炮管倾斜一个角度,但使铁钉不至于掉落．

4.3 发射

将单刀双掷开关拨到另一边,通过电容器瞬间放电,产生一个很大的瞬间电流,并产生一个很大的瞬间磁场,因为单位时间内磁通量变化很大,所以铁钉会受到一个很大的推力将铁钉被推出,产生较大的动量,如同炮弹发射一般,并借此发射出炮管．

5 实验用途

5.1 课内演示

利用本实验装置,可以在课内进行安培力演示实验,让学生进一步体会磁场对电流的作用力,体现物理在科技中的应用．

5.2 课外探究

利用本实验装置,还可以在课外进行以下实验课题的研究．

(1) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与电容器数量的关系.

(2) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与电源电压的关系.

(3) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与电容器充电时间的关系.

(4) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与铁钉发射角度的关系.

(5) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与铁钉置入炮管距离的关系.

(6) 控制其他影响因素,研究电磁炮发射距离与炮管长度的关系．

通过这些实验探究性教学,进一步激发同学们的学习兴趣、合作交流和自主研究能力．

以上是根据通电导体在磁场中受力加速的原理而制作的简易电磁炮,并利用此模型探究铁钉飞行距离的几个影响因素(如电容器的数量、电容器充电的时间、电源的电压、发射角度、铁钉置入炮管距离等)．实验装置设计新颖,取材容易、结构简单,造价低廉,环保易于操作,便于自制和推广,希望能给教学同仁一定的借鉴作用．