物理實驗演示報告

物理演示實驗原理電磁炮在參觀的演示實驗中，電磁炮給我的印象最深，將小圓柱放入填彈口，按下開關(guān)，小圓柱就會以很高的速度射出，砸在墻壁上并發(fā)出“啪”的聲音以反映速度。參觀的電磁炮真正的運用是在軍事上，它是利用電磁發(fā)射技術(shù)制成的一種動能殺傷武器．它利用電磁系統(tǒng)中電磁場的作用力，大大地提高彈丸的速度和射程．電磁炮主要由能源、加速器、開關(guān)三部分組成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的裝置。目前實驗用的能源有蓄電池組、磁通壓縮裝置、單極發(fā)電機，其中單極發(fā)電機是近期內(nèi)最有前途的能源。加速器是把電磁能量轉(zhuǎn)換成炮彈動能，使炮彈達到高速的裝置，主要有：使用低壓直流單極發(fā)電機供電的軌道炮加速器和離散或連續(xù)線圈結(jié)構(gòu)的同軸同步加速器兩大類。開關(guān)是接通能源和加速器的裝置，能在幾毫秒之內(nèi)把兆安級電流引進加速器中。演示用的電磁炮的加速器應該就是環(huán)繞彈道的磁線圈。二、電磁炮實驗原理：電磁炮的原理非常簡單，19世紀，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)了法拉第電磁感應定律。根據(jù)這一定律人們發(fā)明了發(fā)電機和電動機，它也是電磁炮的基本原理，電磁炮不過是一種比較特殊的電動機，因為它的轉(zhuǎn)子不是旋轉(zhuǎn)的，而是作直線加速運動的炮彈。一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。電磁炮分類為線圈炮（交流同軸線圈炮）、軌道炮、電熱炮、重接炮四種。其中線圈炮是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成．根據(jù)通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的．加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中產(chǎn)生感應電流．感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產(chǎn)生磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去．軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去．它由兩條平行的長直導軌組成，導軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸．當兩軌接入電源時，強大的電流從一導軌流入，經(jīng)滑塊從另一導軌流回時，在兩導軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出．演示實驗用的電磁炮是線圈炮，也就是交流同軸線圈炮。三、技術(shù)問題將這一理論上的可能變?yōu)閷嶋H，還需要解決以下幾個問題：首先，那臺實驗電磁炮的加速度太大，人無法承受。這個問題只有一個解決方法，那就是延長加速時間。然而這必須以采用更長的軌道為代價。由于人體只能承受大約3倍重力加速度的長時間加速，滿足人體耐受能力的電磁炮所需的軌道長度(經(jīng)計算，為達到第一宇宙速度，約需1000千米！)在技術(shù)上難以實現(xiàn)。第二，如果把電磁炮水平安裝在地面上，飛出炮口后的炮彈仍然會在大氣阻力下很快減速，難以順利達到環(huán)繞地球軌道，為此，用于航天發(fā)射的電磁炮必須將出口設置在空氣稀薄的高山之巔。第三，目前電磁炮能夠發(fā)射的炮彈質(zhì)量仍然不大，這是加速能力不足造成的。加速炮彈的力與磁場和電流之積成正比，要獲得足夠強的加速磁場一般靠超導磁體。用超導線圈產(chǎn)生磁場已是相對成熟的技術(shù)，但超導磁體需要冷卻到很低溫度(如液氦溫度，約-269°關(guān)于電磁炮的第四個技術(shù)問題和第三個相關(guān)，因為在磁場不夠強的情況下，要想提高加速能力就只能讓炮彈通過足夠大的電流。于是就產(chǎn)生了大電流發(fā)熱和炮身燒蝕等麻煩。幸好這些麻煩對于航天發(fā)射不太重要，因為作為武器的電磁炮得嚴格限制長度，而作為發(fā)射工具，幾千米甚至十幾千米的炮身并不算問題，只是對建設施工時的作業(yè)精度要求較高罷了。此外，延長軌道也可使炮彈承受的加速度降低。經(jīng)過計算，用5千米長的軌道使炮彈由靜止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，這已經(jīng)比普通迫擊炮發(fā)射時的加速度還小了，可人顯然還是無法忍受，而長1000千米的加速軌道在地球上幾乎無法建造，因此用電磁炮發(fā)射人的想法還是放棄算了。最后，有人覺得建造公里級長度，配備強磁場的加速軌道可能會有技術(shù)困難，但這只是不了解人類現(xiàn)有技術(shù)水平的臆測，實際上為數(shù)眾多的粒子加速器、對撞機等多半具有幾千米，甚至幾十千米長的加速和聚能環(huán)。而且它們除了對環(huán)道施工的精度要求極高外，各轉(zhuǎn)彎和控制點等處也均需要設置強磁場。換句話說，在建造宇宙電磁炮的基本技術(shù)方面，人們早已充分掌握了，僅僅是所用領域不同而已。真正的困難倒是，從來沒誰把超級加速器放在高寒山區(qū)，而且青藏高原的交通條件目前也不大好。至于電磁炮的發(fā)射成本，如果不考慮產(chǎn)生強磁場的低溫液體費用，僅僅是電和不可回收的炮彈殼體而已，日常維護成本也大概和同長度的高速地鐵相仿，最多開口處一小段需要要配備專職掃雪人員，要么加個活動蓋子，也就都解決了。四、電磁炮分類：國外所研制的電磁炮，根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同，可分為以下幾種類型：=1\*GB3①線圈炮：線圈炮又稱交流同軸線圈炮。它是電磁炮的最早形式，由加速線圈和彈丸線圈構(gòu)成．根據(jù)通電線圈之間磁場的相互作用原理而工作的。加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中產(chǎn)生感應電流。感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產(chǎn)生磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去。=2\*GB3②軌道炮：軌道炮是利用軌道電流間相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去。它由兩條平行的長直導軌組成，導軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸。當兩軌接入電源時，強大的電流從一導軌流入，經(jīng)滑塊從另一導軌流回時，在兩導軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，彈丸會以很大的速度射出，這就是軌道炮的發(fā)射原理。=3\*GB3③電熱炮：電熱炮的原理完全不同于上述兩種電磁炮，其結(jié)構(gòu)也有多種形式。最簡單的一種是采用一般的炮管，管內(nèi)設置有接到等離子體燃燒器上的電極，燃燒器安裝在炮后膛的末端。當?shù)入x子體燃燒器兩極間加上高壓時，會產(chǎn)生一道電弧，使放在兩極間的等離子體生成材料（如聚乙烯）蒸發(fā)．蒸發(fā)后的材料變成過熱的高壓等離子體，從而使彈丸加速。=4\*GB3④重接炮：重接炮是一種多級加速的無接觸電磁發(fā)射裝置，沒有炮管，但要求彈丸在進入重接炮之前應有一定的初速度。其結(jié)構(gòu)和工作原理是利用兩個矩形線圈上下分置，之間有間隙。長方形的“炮彈”在兩個矩形線圈產(chǎn)生的磁場中受到強磁場力的作用，穿過間隙在其中加速前進。重接炮是電磁炮的最新發(fā)展形式。五、電磁炮的發(fā)展前景：由于艦艇平臺能夠為電磁炮提供足夠的安裝空間，同時可以采用核動力等方式提供不間斷的能量供應，因此電磁炮在海軍艦艇的應有前景非常廣闊：1、對面火力投射：美國海軍規(guī)劃中為DDX7.5馬赫的速度發(fā)射，5分鐘后擊中20海里外的目標。如此高的速度和遠的射程將是電磁炮引領艦炮武器革命的原因，它可以在6秒鐘內(nèi)擊中水平范圍的內(nèi)的艦船，在6分鐘內(nèi)打擊600海里內(nèi)的固定和移動目標。配合其高精度及高殺傷力，將是海軍艦艇對面火力投送能力的巨大飛躍，也是炮彈取代導彈的一個標識。而DDX的綜合電力系統(tǒng)將使艦上的各種電能武器和傳感器共享電力，并且如果戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢允許的話，還可以使艦船發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)，提供充足的電力以滿足電磁軌道炮所需的15-30兆瓦電能，保持每分6-12發(fā)的射速。在大規(guī)模裝備電磁炮以后，海軍對面火力投射能力將獲得質(zhì)的飛躍，其火力密度、反應時間、精度等都將有歷史性的突破。2、對空攔截：由于電磁炮作為動能武器的特點，其高速、高殺傷力、高精度的特點非常適用于對空目標的攔截。電磁炮彈丸的速度在大氣中可達4～6千米/秒，是各種飛機和導彈速度的2～15倍，當以5千米/秒左右的速度射出時，可攔截速度在4馬赫以下的戰(zhàn)術(shù)導彈。當發(fā)射初速達到5～7千米/秒時，可在中段和末段對戰(zhàn)略導彈實施有效攔截，而當速度為6～10千米/時可直接命中300～1000千米高度的低軌衛(wèi)星，而當速度超過12千米/秒時，可打擊探測、跟蹤、導航定位、預警、通信等軌道高度較高的衛(wèi)星。也就是說，如果將電磁炮和宙斯盾系統(tǒng)相結(jié)合，將會為導彈防御系統(tǒng)提供更高速、更有殺傷力、反應時間更短的火力系統(tǒng)，而且對多目標的攔截能力也將進一步加強。由于電磁炮的能量來源于電能，因此