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        被彈飛的呂環(huán)

        2015-08-08 05:57:54
        中學(xué)科技 2015年6期
        關(guān)鍵詞:楞次定律加速器盒子

        被彈飛的鋁環(huán)

        高中二年級(jí)的一堂物理研究課上,老師拿出一個(gè)神秘的小裝置,一個(gè)長(zhǎng)方體的小盒子(長(zhǎng)、寬、高為125mm×66mm×90mm),頂部連接一個(gè)金屬線圈座。將一枚鋁環(huán)放在線圈座上,打開電源開關(guān),當(dāng)右上角的示數(shù)顯示為“450”時(shí),按下紅色按鈕,突然鋁環(huán)硬生生地“飛”了起來(lái)。之后,老師依次換了硬幣、薄銅片等金屬物體,按照前面的操作,它們竟然都會(huì)被彈飛;然而如果放上塑料、木質(zhì)材料或開口的鋁環(huán)等小物體,則不會(huì)發(fā)生被彈飛的現(xiàn)象。究竟發(fā)生了什么,鋁環(huán)為什么會(huì)“飛”起來(lái),下面的長(zhǎng)方體盒子藏有怎樣的玄機(jī)?

        實(shí) 驗(yàn) 重 現(xiàn)

        讓我們來(lái)重新梳理一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)按下紅色按鈕后,放在線圈座上的小物體被彈飛,結(jié)合小物體的飛行軌跡來(lái)分析,它應(yīng)該是瞬時(shí)受到一個(gè)向上的力的作用,而且這個(gè)力的大小應(yīng)該大于物體本身的重力。另一方面,并不是所有的物體都可以被彈飛,觀察選用的實(shí)驗(yàn)物體發(fā)現(xiàn),這個(gè)力的產(chǎn)生應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)物體的材質(zhì)有關(guān),只有閉合金屬才會(huì)受到這個(gè)力的作用。而在實(shí)驗(yàn)物體飛起前的瞬間,它僅與長(zhǎng)方體盒子有接觸,但這個(gè)盒子除了被人為地按動(dòng)過(guò)按鈕,并沒(méi)有發(fā)生任何移動(dòng),那么瞬間出現(xiàn)的力是怎么產(chǎn)生的呢?

        實(shí) 驗(yàn) 揭 秘

        讓老師來(lái)揭開這個(gè)實(shí)驗(yàn)的秘密吧,它的玄機(jī)確實(shí)藏在這個(gè)長(zhǎng)方體盒子中。這個(gè)盒子叫“楞次定律演示儀”。

        小心地拆分開盒子,其主要由以下部件組成:模塊外殼(利用3D打印機(jī)建模制作)、自制線圈、兩節(jié)3.7V 的18650鋰電池、ZVS升壓模塊、2000μF的電解電容、70tps的晶閘管、1000Ω的水泥電阻。

        如電路圖所示,兩節(jié)鋰電池提供7.4V的電壓,通過(guò)ZVS直流升壓將7.4V直流電升至450V,給2000μF電解電容充電。按下裝置按鈕后,電容器突然放電,當(dāng)通過(guò)70tps晶閘管導(dǎo)入線圈時(shí),會(huì)產(chǎn)生數(shù)千安培的瞬時(shí)直流電流,同時(shí)產(chǎn)生巨大的磁通量變化。如果此時(shí)線圈座上放置的實(shí)驗(yàn)物體為閉合金屬,就會(huì)發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象,產(chǎn)生較強(qiáng)的電動(dòng)勢(shì),金屬實(shí)驗(yàn)物會(huì)產(chǎn)生較大的渦流,根據(jù)楞次定律“增反減同,來(lái)拒去留”的規(guī)律,感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)相反,金屬物體與線圈之間產(chǎn)生的安培力為斥力,最終就是我們觀察到的金屬實(shí)驗(yàn)物體被彈飛的現(xiàn)象,換言之,也是電勢(shì)能轉(zhuǎn)化為物體動(dòng)能的過(guò)程。

        電 磁 炮

        講到這里,相信大家應(yīng)該明白鋁環(huán)為何會(huì)被彈飛了吧。其實(shí)在許多高科技產(chǎn)品中都能看到楞次定律的影子,如軍事上的新型武器——電磁炮。電磁炮主要由能源裝置、加速器、開關(guān)三部分組成,其中最核心的部件就是加速器了。當(dāng)打開開關(guān),接通能源裝置和加速器后,能在幾毫秒之內(nèi)將兆安級(jí)的電流引進(jìn)加速器中。當(dāng)金屬外殼的炮彈經(jīng)過(guò)加速器,同前面提到鋁環(huán)被彈飛的原理類似,金屬炮彈受到電磁力作用被加速。理論上,被加速的炮彈的出膛速度甚至可以達(dá)到亞光速。

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