电磁炮演示仪的制作及优化

1、电磁炮演示仪的制作及优化1 引言人类的武器发展史从最早原始人使用木制、 石制工具狩猎等 到如今熟练应用和掌握各种高科技武器， 武器的打击距离、 打击 精度和打击效率在不断地提高。近现代以来， 常规武器火炮等基本已经达到理论数据可 达到的最大值。电磁炮以其初速高、动能大、能源简单、隐蔽性 好、弹丸形状多样、装填方便和效率高等优点，在军事和航天等 方面都有很好的应用前景。 作为一种新概念武器的电磁炮在近十 余年来发展迅速， 研究成果显著， 逐渐成为了世界各国重要的军 事武器。电磁炮根据结构的不同可分为轨道炮、线圈炮和重接炮三 类。现今世界，轨道炮和线圈炮的发展比较快速和成熟，可用于 实际武器中。

2、我们主要研究线圈炮中的磁阻线圈炮是利用驱动线 圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的。本文基于线圈炮的模型原理制作可用于课堂演示的电磁炮 演示仪模型。 对于制作线圈炮模型而言， 考虑到影响实验的因素 很多，我们决定用控制变量法来研究线圈的粗细与电压对子弹发 射速射的影响。希望我们制作的模型能运用于课堂演示。本项目的创新点和特色主要体现于：1）在熟悉掌握电磁学的基础上自主创新，加深科技运用能力，增强动手能力。2）优化电磁炮演示仪，加强稳定性、安全性、简洁性、操 作性，同时使其划分为几个等级实验， 为不同程度的学生提供便 利。3）此验的成果可应用于课教学，为老师的课堂教学提供帮 助。2

3、 电磁线圈炮的制作方案 我们选择的是线圈炮来作为我们的展示仪。 线圈炮是利用发 射筒上围绕的线圈中的电磁力来加速弹丸的电磁发射系统， 我们 所研究的线圈电磁炮属于单级磁阻式线圈炮， 闭合发射开关， 电 容器作为脉冲直流电源对线圈放电， 使电容瞬间放电产生极大的 电流，电流经过线圈产生超强的磁场，从而使弹丸（铁芯）瞬时 加速， 依靠惯性射出固定线圈管。 其中影响本次实验因素的有线 圈的单位长度，线圈的匝数，线圈炮炮筒的长度，线圈炮炮筒的 内半径，线圈的长度，螺线管通入电流与源电压等。首先，我们尝试了赵新新老师提到的方案。 我们首先画出了 线圈炮的结构图， 其次我们购买了线圈炮的材料一数控式直流稳

4、 压可调电源、三组 35V-4700uF电容、可控开关、7*9mm透明聚 四氟乙烯管、6mm 8mm漆聚氨酯漆包线、导线、铁钉等。在组 装中，我们首先裁剪2个相同长度5cm的透明聚四氟乙烯管作为 炮筒，然后在分别在炮筒上绕上 6mn与 8mn的线圈，因为线圈的 匝数会影响实验效果，所以我们决定绕三圈即匝数为3。制作好 发射筒， 下一步是安装电容与发射开关， 但是值得注意的是在连 接电容时我们首先要确认电容的正负极。 其次我们用导线连接各 个部件，最后连接外接电源。3 线圈炮发射实验考虑到影响实验的因素很多， 我们决定用控制变量法来研究 线圈的粗细与电压对子弹发射速射的影响。 因为在子弹射出炮管

5、 时我们可以将子弹下落的过程视为做平抛运动一物体以一定的 初速度水平抛出， 并且物体仅受重力重力作用。 因为子弹从炮管 发射出是一个平抛运动， 所以子弹的水平位移仅与从炮管发射出 的速度和平抛开始时的高度有关。 因此我们我们将电磁炮放置在 高度为8cm的发射台，并且可以控制变量的方法依次进行试验， 通过每一次记录子弹下落的水平位移而推算出子弹从炮管发出 的速度。为了试验的精准性 - 即记录子弹下落的第一个位置（为 了防止子弹下落滑行而带来的误差） ，我们在子弹的头上沾上了 红墨水，并且在发射的台上铺上白纸以便测量。以下为我们的实验步骤：首先我们在6mn线圈绕成的线圈炮的装置中， 改变电压，依

6、次为15V、20V、25V、30V，接着放置做好标记子弹，控制开关， 发射，依次记录下炮弹发射的水平距离。接着我在8mn线圈绕成的线圈炮的装置中， 改变电压，依次 为15V、20V、25V、30V，接着放置做好标记子弹，控制开关， 发射，依次记录下炮弹发射的水平距离。通过计算出炮弹发射出的速度，我们可以得出以下结论： 1)在其它条件不变的情况下，子弹从炮管发射出的速度v与电压成正比，反之亦然。2)在其它条件不变的情况下，子弹从炮管发射出的速度v与发射管包裹的线圈粗细成正比，反之亦然。4 平抛测量原理 弹丸发射过程能量转换是从电能转换为磁能最后到动能， 在 弹丸发射出去离开线圈炮管后做平抛运动，

7、 弹丸初速度沿水平方 向，不考虑空气阻力，在竖直方向只受到重力的作用，初速度不 为零，由于速度方向与受力方向不在一条直线上， 故弹丸的平抛 运动是曲线运动，又因为受力恒定，所以是匀变速曲线运动，因 此它的加速度是常量，等于 g，它的v坐标的变化符合匀加速运 动的规律：y (1/2 ) gt2，于是，测量弹丸的下落距离 y，根据 这个数据可以算出弹丸下落到这点所用的时间 t ，再测出弹丸移 动的水平距离X，根据x=vot就可以得到抛体的初速度5 总结 实验初期，我们考虑了多种对于实验结果产生影响的因素， 最后我们确定两个变量， 电压以及线圈的粗细， 着手制作我们的 电磁炮演示仪。 刚开始制作的时候我们以恒定电压接入电磁炮演 示仪，为了检验演示仪的接线是否正确，能否正常发射。中期部分， 为了追求实验的准确性， 对于线圈的规格我们进 行了进一步要求与加工， 重新缠绕了不同粗细同时尽量确保匝数 线圈层数相同的线圈。并接入新购进的外接可变电源， 进一步进 行实验。实验末期，我们对电磁炮演示仪接通不同的电压，以及确定电压更换不同线圈我们进行了数据的测试， 为了得到最接近实际 的发射速度，我们进行多次测试，得出了我们认为比较完美的数 据。在以上的实验中，我们所选取的材料简单，容易购买并且经 济实惠，而且对学生有