物理演示实验原理

一、电磁炮

   在参观的演示实验中，电磁炮给我的印象最深，将小圆柱放入填弹口，按下开关，小圆柱就会以很高的速度射出，砸在墙壁上并发出“啪”的声音以反映速度。

   参观的电磁炮真正的运用是在军事上，它是利用电磁发射技术制成的一种动能杀伤武器．它利用电磁系统中电磁场的作用力，大大地提高弹丸的速度和射程．

   电磁炮主要由能源、加速器、开关三部分组成。能源通常采用可蓄存10～100兆焦耳能量的装置。目前实验用的能源有蓄电池组、磁通压缩装置、单极发电机，其中单极发电机是近期内最有前途的能源。加速器是把电磁能量转换成炮弹动能，使炮弹达到高速的装置，主要有：使用低压直流单极发电机供电的轨道炮加速器和离散或连续线圈结构的同轴同步加速器两大类。开关是接通能源和加速器的装置，能在几毫秒之内把兆安级电流引进加速器中。演示用的电磁炮的加速器应该就是环绕弹道的磁线圈。

二、电磁炮实验原理：

电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现了法拉第电磁感应定律。根据这一定律人们发明了发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。 一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。

电磁炮分类为线圈炮（交流同轴线圈炮）、轨道炮、电热炮、重接炮四种。

其中线圈炮是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的．加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流．感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去．

轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去．它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸．当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出．

演示实验用的电磁炮是线圈炮，也就是交流同轴线圈炮。

三、技术问题

将这一理论上的可能变为实际，还需要解决以下几个问题：首先，那台实验电磁炮的加速度太大，人无法承受。这个问题只有一个解决方法，那就是延长加速时间。然而这必须以采用更长的轨道为代价。由于人体只能承受大约3倍重力加速度的长时间加速，满足人体耐受能力的电磁炮所需的轨道长度(经计算，为达到第一宇宙速度，约需1000千米！)在技术上难以实现。 第二，如果把电磁炮水平安装在地面上，飞出炮口后的炮弹仍然会在大气阻力下很快减速，难以顺利达到环绕地球轨道，为此，用于航天发射的电磁炮必须将出口设置在空气稀薄的高山之巅。 第三，目前电磁炮能够发射的炮弹质量仍然不大，这是加速能力不足造成的。加速炮弹的力与磁场和电流之积成正比，要获得足够强的加速磁场一般靠超导磁体。用超导线圈产生磁场已是相对成熟的技术，但超导磁体需要冷却到很低温度(如液氦温度，约-269°C)才能发挥作用，这对于军事应用是个问题，因为会大大降低发射装置的灵活性，但作为固定使用的航天发射装置，基本上可以不必考虑这些，而且如果高温超导强磁体能够研制成功，对低温条件的要求也可放宽。

关于电磁炮的第四个技术问题和第三个相关，因为在磁场不够强的情况下，要想提高加速能力就只能让炮弹通过足够大的电流。于是就产生了大电流发热和炮身烧蚀等麻烦。幸好这些麻烦对于航天发射不太重要，因为作为武器的电磁炮得严格限制长度，而作为发射工具，几千米甚至十几千米的炮身并不算问题，只是对建设施工时的作业精度要求较高罢了。此外，延长轨道也可使炮弹承受的加速度降低。经过计算，用5千米长的轨道使炮弹由静止加速到第一宇宙速度，加速度是重力加速度的600倍，这已经比普通迫击炮发射时的加速度还小了，可人显然还是无法忍受，而长1000千米的加速轨道在地球上几乎无法建造，因此用电磁炮发射人的想法还是放弃算了。最后，有人觉得建造公里级长度，配备强磁场的加速轨道可能会有技术困难，但这只是不了解人类现有技术水平的臆测，实际上为数众多的粒子加速器、对撞机等多半具有几千米，甚至几十千米长的加速和聚能环。而且它们除了对环道施工的精度要求极高外，各转弯和控制点等处也均需要设置强磁场。换句话说，在建造宇宙电磁炮的基本技术方面，人们早已充分掌握了，仅仅是所用领域不同而已。真正的困难倒是，从来没谁把超级加速器放在高寒山区，而且青藏高原的交通条件目前也不大好。 　　至于电磁炮的发射成本，如果不考虑产生强磁场的低温液体费用，仅仅是电和不可回收的炮弹壳体而已，日常维护成本也大概和同长度的高速地铁相仿，最多开口处一小段需要要配备专职扫雪人员，要么加个活动盖子，也就都解决了。

四、电磁炮分类：

国外所研制的电磁炮，根据结构和原理的不同，可分为以下几种类型：

①线圈炮：线圈炮又称交流同轴线圈炮。它是电磁炮的最早形式，由加速线圈和弹丸线圈构成．根据通电线圈之间磁场的相互作用原理而工作的。加速线圈固定在炮管中，当它通入交变电流时，产生的交变磁场就会在弹丸线圈中产生感应电流。感应电流的磁场与加速线圈电流的磁场互相作用，产生磁场力，使弹丸加速运动并发射出去。

②轨道炮：轨道炮是利用轨道电流间相互作用的安培力把弹丸发射出去。它由两条平行的长直导轨组成，导轨间放置一质量较小的滑块作为弹丸。当两轨接入电源时，强大的电流从一导轨流入，经滑块从另一导轨流回时，在两导轨平面间产生强磁场，通电流的滑块在安培力的作用下，弹丸会以很大的速度射出，这就是轨道炮的发射原理。

③电热炮：电热炮的原理完全不同于上述两种电磁炮，其结构也有多种形式。最简单的一种是采用一般的炮管，管内设置有接到等离子体燃烧器上的电极，燃烧器安装在炮后膛的末端。当等离子体燃烧器两极间加上高压时，会产生一道电弧，使放在两极间的等离子体生成材料（如聚乙烯）蒸发．蒸发后的材料变成过热的高压等离子体，从而使弹丸加速。

④重接炮：重接炮是一种多级加速的无接触电磁发射装置，没有炮管，但要求弹丸在进入重接炮之前应有一定的初速度。其结构和工作原理是利用两个矩形线圈上下分置，之间有间隙。长方形的“炮弹”在两个矩形线圈产生的磁场中受到强磁场力的作用，穿过间隙在其中加速前进。重接炮是电磁炮的最新发展形式。

五、电磁炮的发展前景：

由于舰艇平台能够为电磁炮提供足够的安装空间，同时可以采用核动力等方式提供不间断的能量供应，因此电磁炮在海军舰艇的应有前景非常广阔：

1、对面火力投射：

美国海军规划中为DDX装备的电磁炮，其炮弹能够以7.5马赫的速度发射，5分钟后击中20海里外的目标。如此高的速度和 远的射程将是电磁炮引领舰炮武器革命的原因，它可以在6秒钟内击中水平范围的内的舰船，在6分钟内打击600海里内的固定和移动 目标。配合其高精度及高杀伤力，将是海军舰艇对面火力投送能力的巨大飞跃，也是炮弹取代导弹的一个标识。而DDX的综合电力系统 将使舰上的各种电能武器和传感器共享电力，并且如果战术态势允许的话，还可以使舰船发动机高速运转，提供充足的电力以满足电磁 轨道炮所需的15-30兆瓦电能，保持每分6-12发的射速。在大规模装备电磁炮以后，海军对面火力投射能力将获得质的飞跃，其火 力密度、反应时间、精度等都将有历史性的突破。

2、对空拦截：

由于电磁炮作为动能武器的特点，其高速、高杀伤力、高精度的特点非常适用于对空目标的拦截。电磁炮弹丸的速度在大气中可 达4～6千米/秒，是各种飞机和导弹速度的2～15倍，当以5千米/秒左右的速度射出时，可拦截速度在4马赫以下的战术导弹。当发 射初速达到5～7千米/秒时，可在中段和末段对战略导弹实施有效拦截，而当速度为6～10千米/时可直接命中300～1000千米 高度的低轨卫星，而当速度超过12千米/秒时，可打击探测、跟踪、导航定位、预警、通信等轨道高度较高的卫星。也就是说，如果将 电磁炮和宙斯盾系统相结合，将会为导弹防御系统提供更高速、更有杀伤力、反应时间更短的火力系统，而且对多目标的拦截能力也将 进一步加强。 由于电磁炮的能量来源于电能，因此在安装了综合电力系统的舰艇上，武器系统将和主动力、指挥系统、传感器等子系统共享能 量，平台的设计将越加灵活。而且由于电磁炮炮弹没有化学爆炸物，因此舰艇设计时可以将原有的弹药库结构取消，优化舰体防护， 大大提高舰艇的战场生存能力。同时，也将大大简化武器系统的后勤保障工作。

物理演示实验报告

姓名：李萍

学号：P111713307

学院：数学与计算机科学学院

 

第二篇：建筑物理实验报告

西北农林科技大学一号教学楼噪声监测与评价

摘　要: 借助HS6288系列噪声分析仪,对西北农林科技大学一号教学楼噪声进行了实地监测。依据国家城市区域环境噪声标准,并结合综合污染指数法对监测结果进行分析评价。结果表明,该路段总体噪声水平为4级(中污染) ,声环境已出现恶化。在分析噪声污染及其分布的同时,结合实地调查,提出了一些针对一号教学楼噪声污染防治的对策。

1.监测区域与监测方法

一号教学楼为西林校区的主教学楼，是典型的文化教育类建筑。

测量时段为20##年4月19日,测量期间无雨无雪,在选定的测点上, 用HS6288系列噪声分析仪(嘉兴)分别测定昼间( 9:10—9:40和夜间(22: 29—23: 08) 1min等效连续A 声级( F档) ,并记录Leq，并且分别测定教学楼内和教学楼外环境的噪声值。测量点离建筑物的距离不小于1. 0 m,噪声仪距地面的垂直距离不小于1. 2m。测量点一（教学楼主入口）昼、夜1 min等效连续A声级Ld和Ln如表1所示；测量点二（教学楼内教室及楼梯走廊）噪声值如表2所示。

2　结果分析及评价

2. 1　测量区域噪声水平

1）教学楼环境噪声水平

依据我国城市区域环境噪声适用区划技术规范(GB /T 15190294) ,选定测量点适用于第二类——居民文教区。根据测量点昼间和夜间1 min等效连续A声级数据(表1) ,可求得该测量区域昼间和夜间的平均噪声水平。

在测量过程中，昼间出现的最大分贝为   ，最小为   ；夜间出现的最大分贝为  ，最小为   。测量时段为  。昼夜各遇到一噪音高潮段，昼间为学生下课放学时，夜间为学生下晚自习时。教学楼周围环境的主要噪声来自东侧的邰城路，但因为中间有一小游园隔着，大大减小了邰城路上噪音给教学楼带来的影响。

由表格可见，测量区域昼间不超标，夜间超标约5dB。分析原因可能为：夜间学生上自习出入教学楼较多，并且旁边邰城路过往的车辆也有影响。

2）教学楼内噪声水平

表2

根据《民用建筑隔声设计规范》，学校类，一般教室的一般标准为小于等于50，从表格2可知，教学楼内三处测量点，分别为普通教室，最靠东教室（即离马路最近的教室），主要楼梯口。除普通教室满足要求外，后两者均超过标准值。由此可见，邰城路对一号教学楼东侧的教室还是有一定影响，绿化隔音做的还不够。

普通教室主要噪声来源于室内和室外两种，室内如学生进出，翻书，挪动椅子，咳嗽等，室外的主要有旁边厕所冲水声，教学楼前杂音等。楼梯口噪声主要来源于过往学生，在学生下课的高峰期声音升高较多。在测量时，由于六楼有维修带来的噪音，影响到走廊楼梯，测量值较一般要大很多，不过室内并没有太受此噪音影响。

2. 2　噪声污染综合评价

2. 2. 1　综合污染指数法

依据表1数据,利用公式

得测量点的昼夜等效连续A声级Ldn

即，ldn=56.48

城市噪声综合污染指数计算公式为

PN = Ldn /Lb

式中, PN 为城市噪声综合污染指数;Ldn为城市平均昼夜等效声级( dB) ; Lb 为等效声级的恶化标准值,取75 dB (高烦恼极限值,一般在75 dB内)。根据PN 大小可以划分城市噪声污染程度级别,目前

我国城市噪声分级标准见表3

根据上述原理,计算得到测量区域平均综合污染指数为0.753, 总体表现为3 级(一般) 。

3   噪声污染综合防治对策

由上述分析可知，一号教学楼噪声污染等级为一般，稍微有些污染。

针对此种情况,建议采取以下措施：

3. 1　加大噪声隔离力度

在教学楼与邰城路之间加大绿化种植，达到更好的隔声效果，保证教室不受马路噪声影响，给学生提供更好的学习氛围。

3. 2　限制交通噪声污染

可以在邰城路设置声屏障或绿化隔离带，降低交通噪声，有关资料表明, 种植树带一般可降低噪声2 ～5

dB[ 19 ] 。

3. 3  设立标牌提示降低噪音

   在马路上设标牌提示前方有学校，减速慢行，禁止鸣笛等。

在教学楼设指示牌，提醒学生保持教学楼的安静及秩序。

3. 4   制定必要的噪声法令、条例和标准

有效控制城区噪声,仅仅采取技术措施是不够

的,还需制定必要的噪声标准和切实可行的法律、

法规。