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。