中学物理实验是培养学生科学观察、实验能力、科学思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。在中学物理实验学习中,深切地感受到课堂实验实践的重要,但参加课外兴趣小组,锻炼动脑动手能力和亲自探索实验更为重要,因为这样做不仅可以增加感性认识,还可以培养学生的探索精神和创造性,激发对物理乃至其他自然学科的学习激情,进而实现学用相长。

图1 初始版电磁轨道炮电路图

电磁轨道发射是一种能将物体加速至超高速度的新型发射方式,它利用电磁力驱动有效载荷,能将电磁能转换成机械动能,可加速包括弹丸、炮弹、导弹、火箭、卫星、飞机等在内的多种物体[1]。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机,具有良好的机械特性,能在大范围内平滑调速、起动、制动和正反转等,目前在传动领域仍占主要地位[2]。该研究就电磁轨道炮和直流电动机的实践作介绍。

图2 改进版电磁轨道炮电路图

图3 直流电动机物理模型

图4 直流电动机物理模型

图5 线圈示例图

1 电磁轨道炮

电磁轨道炮是一种利用电流磁场产生的作用力驱动炮弹加速运动的武器,由于它具有无声、无烟、可控等特点,所以电磁轨道炮己经引起许多军事科学家的关注和重视。在高中学习中经常遇到关于电磁轨道炮的题目。

就此思路,通过课外翻阅有关资料,经过多次试验,尝试制作了一个简单的电磁轨道炮实验,并发现问题改进设计,提高了电磁轨道炮的稳定性,现与喜爱物理实验和动手的各位同学分享。

1.1 电磁轨道炮原理

电磁轨道炮系统一般由发射电源、充电电源、电感器、弹丸、轨道、电枢、炮管等部分组成。其中,充电电源是向电磁轨道炮提供单次或多次发射时所需能量的储能装置;发射电源与电感器共同组成脉冲形成网络,从而向电磁轨道炮系统提供所需的工作电流,其能量来源为充电电源;轨道一般是由导电性能好而且抗磨损的金属构成,与电源和弹丸组成闭合回路;电枢的作用是传导电流并承受洛伦兹力,从而推动弹丸作加速运动。

电磁轨道炮系统的运行一般由三个过程构成:充电过程、发射过程和馈电过程。

(1)充电过程。由于电容器部分储能密度较低,所以每次发射后的残余能量较低,从而必须对电容器充电以进行下一次发射。一般来说,电容器采用恒流充电的方式,所以向电容器组充电前,需要将发电设备输出的电流进行整流,得到近化为常值的电流,最后再向电容器组输入得到的电流[3]。

(2)发射过程。电磁轨道炮一般由两根相当炮管长短的固定平行导轨和一个沿导轨轴线方向滑动的电枢组成,弹丸放置在导轨上使得导轨、弹丸和电源形成闭合回路。当发射弹丸时,电源向导轨系统供电,强大的电流流经两平行导轨,在电枢形成的磁场作用下,两导轨间产生的方向相反的线性磁场产生强大的电磁力。电磁力推动弹丸沿导轨加速运动,从而获得很高的初速度,弹丸沿导轨向外运动直到从炮口末端发射出去[4]。

设匀强磁场的磁感应强度为B,两导轨间的距离为L,磁场中导轨的长度为s,炮弹的质量为m,电流I,炮弹和导轨间摩擦不计,则通过能量守恒定律计算得出炮弹的初速度。

(3)馈电过程。由于在弹丸从电磁轨道炮系统发射出的瞬间,电磁轨道炮系统的轨道中的电流依然很大,这些能量以磁场能的形式储存在轨道和波形调整电感中。如果弹丸发射出去的时候轨道为断路状态,那么电流将会在瞬间发生极大的变化,从而在炮口形成高电压,极为可能将两条轨道间的空气击穿而破坏轨道。为了解决这一问题,通常将电容器组在弹丸发射出去的瞬间接入回路,从而将轨道中残余的能量回馈给电容器组,即对电容器组充电[5]。这就是馈电过程。馈电过程不仅通过稳定电流保护轨道,而且由于将轨道中残余的能量回馈给电容器组,对电容器组充电,也有效地减少了每次发射的能量的消耗,提高了能量利用率。

1.2 制作电磁轨道炮

(1)材料。绝缘木支架一个,两根长约20cm的硬直铜导轨,一根长约5cm的铜导体棒(代替炮弹),两只磁性较强的蹄形磁铁,单刀双掷开关一个,1.5v干电池4节,电解电容器2只,导线若干。

(2)制作过程。把绝缘支架水平放置在水平桌面上,把两根20cm长的硬直铜导轨平行固定在木板上,两导轨间距大约4-5cm,导轨垂直距离木板5cm。把蹄形磁铁两只并排放置在导轨中间,按照如图1,连接电路就制作完成了。

刚开始制作时,没有利用电解电容器,直接把电源连接在导轨两端,效果很不理想。为了增加瞬时电流强度,加入了两只电解电容器,效果非常好。

文章来源：《湖南中学物理》 网址: http://www.hnzxwlzz.cn/qikandaodu/2021/0717/751.html