PDF《2016/2017 小学生动手做研究报告》

2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

1 2016/2017 小学生动手做研究报告 研究题目:高斯磁力炮 学校名称:澳门鲍思高粤华小学 研究员名称:黄景琛、霍德霖、 杨杜胜、黎浩然、黄彦v 指导老师:廖桂萍 报告完成日期:二零一七年六月二十一日 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

2 目录 摘要

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第一章:绪论

4 研究动机.

5 研究目的.5 研究问题.6 名词解释.7 文献探讨.7 研究方法.9 研究进程.10

第二章:研究过程

11 研究材料.11 研究步骤.11 研究结果.16

第三章:研究总结及建议

21 研究总结.21 研究建议.22 研究员感想.22 参考文献.22 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

3 摘要 本次研究是通过实作高斯磁力炮的过程来学习磁力在军事上的应用原理,利 用不同的设置如:钢珠大小,加速器组数量,撞击距离等.通过实验测试取得一 系列的完整数,依数杓瞥鲎罴研艿拇帕ε.其最佳设置样式为加速器组

3 个,每组磁石

3 粒,组间距为 10m,通过三次的测试取其平均值速度达到 75.46 米/秒.其结论为并非不断增加磁石和加速器组数量就能使磁力炮的速度提升, 影响磁力炮最终抛射物的速度的因素很多,要通过不断的测试和分析数拍苁 用最少的材料达成最快的速度. 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

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第一章:绪论 在现今人类生活中,人们直接或间接地受到物理定律所支配;

在自然界中有 四个基本交互作用力,又称为自然界四力或宇宙基本力;

分别是强力、弱力、重 力和电磁力.这四种力促成现今我们世界的所有物质及物理规律,强力和弱力只 作用在非常小的距离,大约在原子和亚原子粒子之间的交互作用,所以我们在日 常生活中难以观察和应用;

而重力和电磁力在日常生活中经常接触得到,学生对 於重力和电磁力都有一定的认识和应用的经验,故此在这一课题上有研究和探讨 的空间,在搜集资料时发现重力和电磁力应用广泛,由起居饮食到外出远行都有 所涉及,在众多的研究主题当中实在难以选取,在日常电磁力应用中少有提及在 军事上发展,传统的大炮炮弹发射主要依靠火药,点燃火药产生爆炸的推力使炮 弹向目标进行射击,火药除了有爆炸危险外亦会产生量大的有害气体和物质,对 军人和操作人员产生危险,现时很多先进国家纷纷投入研究利用电磁力作为炮弹 的动力来源,免除火药在运输时的危险也可以更准确的命中目标. 电磁炮除了应用了电生磁及磁生电的基础原理外,还包含了基本的牛顿力学 的?动量守恒定律?,通过磁力对金属炮弹进行提速,炮弹在最后加速后离开管道 发射出去.通过研究电磁炮的原理和实验可以初步认识电磁力在军事上的应用亦 可培养学生的探究及科研精神. 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

5 研究动机 我们通过搜集关於磁力的资料时发现,磁力在生活用品中不时存在;

如电动 摩打、电门铃、扬声器、指南针、电子门等等……多不胜数,而日常较少接触的 军事用品也能找到磁力的踪影,其中一位研究员在互联网上观看到一段关於磁力 炮的影片,影片中钢珠通过几组磁力线圈加速后以飞快的速度弹射出去,我们感 到非常震惊遂决定集中以这一主题作为资料的搜集对象,通过对影片的重复观看 及文献整理得知电磁炮分为二种;

第一种是磁轨炮(Railgun),第二种是线圈炮 (Coilgun)又称为高斯磁力炮(Gauss gun),磁轨炮需要在轨道上通上强大的电流才 能启动,在技术和安全考量都不适合作为研究对象,而线圈炮则相对安全;

可以 利用磁石作为替代电线圈为铁珠加速,在安全、技术、材料取等方便考量后,决 定以高斯磁力炮作为是次动手做研究的主题. 研究目的 在小学阶段我们都对磁力产生的方式有一定的认识,天然的磁石具有磁力;

而通过对线圈通上电流会产生磁力,称为电磁力.本次研究目的在於令研究员(学生)对磁力有进一步的t解、探究和应用.在固有的知识基础上建立一套完整的 研究科学的体系,把一些物理定律应用在实际的应用层面是如何进行的,加深磁 力在日活生中的应用原理,通过重复的试验令学生明白科学研究都是由不断的尝 试和实验累积而成的,科学成果得来不易.以下是本次研究目的: 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

6 1. 认识动量守恒定律的应用 2. 高斯磁力炮的运作原理 3. 磁力的应用 4. 天然磁铁与钕铁硼磁铁的分别 5. 实验中改变各种参数对结果的影响 6. 通过实验找出磁力炮效能最佳设置样式 研究问题 本次研究为了对应研究目的而开展的研究问题如下:在本次研究的前期文献 探讨中完成研究问题

1 以及通过组建实验磁力炮来完成问题

2 至8. 1. 高基磁力炮在运作原理上应用了哪些物理定律? 2. 天然磁铁与钕铁硼磁铁对最终钢珠弹出的速度影响为何? 3. 实验加速器中的钢珠的大小对最终钢珠弹出的速度影响为何? 4. 实验加速器中的钢珠数量对最终钢珠弹出的速度影响为何? 5. 实验加速器中的磁石数量对最终钢珠弹出的速度影响为何? 6. 实验中设置加速器距离长短对最终钢珠弹出的速度影响为何? 7. 实验中设置加速器数量对最终钢珠弹出的速度影响为何? 8. 找出以最少配置达到最佳效能的组合为何? 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

7 名词解释 磁力-磁力是一种物理现象;

是由磁铁所产生的磁场引起,可以吸引铁磁性 的金属,磁铁最强的位於是两端,一端指向北极称为N极,另一端指向南极称为 S极. 永久磁铁-永久磁铁的特恒是能长期保持磁性,可分为天然磁铁(磁铁矿石) 和人造磁铁(钕铁硼磁铁). 电磁铁-是一种非永久性的磁铁,是电流通过线圈产生磁性,可以通过电流 的输入来控制磁性的开启或中断. 高斯磁力炮-又称线圈炮;

是由一组或多组通电的线圈所产生的磁力来推动 炮弹的投射装置,由於没有使用火药等推进燃料,是现今军事所追求的冷兵器. 动量守恒定律-如果物体系受到的合外力为零,则系统内各物体动量的矢量 和保持不变,系统质心维持原本的运动状态. 天幕式测速器-利用光敏式探头作为前后开关来检测弹射物的速度. 文献探讨 磁力最早发现在公元前六世纪,由希腊哲学家泰勒斯发现天然的磁铁矿石具 有吸引其他铁物质的性质.而在中国最早描述磁力的书为公元前四世纪的《鬼谷 子》 ,其后无论中西内外都各自发展磁力的论著及研究.磁力由最初用来作航海 用途的指南针发展到现今电脑硬盘的储存技术,发展技术一日千里. 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

8 在1820 年,物理学家汉斯?奥斯特发现电与磁力之间的关系,在通电的线圈会影 响磁针偏转方向,到后来安培和法拉弟各自发现磁埸会生成电流,通过这一理论 发明了现今我们还在使用的发电机和电动机. 天然的磁石自身能够产生磁场,可以吸引铁磁性的物质如铁、钴等金属,磁铁上 磁性最强的部分叫磁极,一端叫指北极或 N 极;

另一端叫指南极或 S 极.同极 会互相排斥、异极会互相吸引.电磁铁是把电流通过插入铁磁性物质(铁芯)的线 圈所产生的磁场,磁场的强弱和通入的电流、线圈的大小、线圈的圈数和插入的 铁磁性物质有关. 线圈炮是由一个或多个线圈产生的磁场作为加速器,把经过的磁性炮弹加速 到极高的速度发射出去,现时线圈炮仍然有其缺点就是线圈的电阻问题,由於要 产生强大的磁场必须要多圈数的线圈和大的电流,线圈的电阻通电时会产生大量 热能,会把部分的电浪费又无法把炮弹加速到最高速度.线圈炮除了包含磁场原 理外,在线圈的磁力对炮弹加速时会遵守牛顿力学中的物理定律-动量守恒,就 如同用来论证动量守恒定律的牛顿摆一样,如下图:钢珠

1 击中钢珠

2 时会把能 量传递给钢珠 2,同样钢珠

2 会把能量传递到钢珠 3;

如此把能量传递开去直到 钢珠 5,最后钢珠

5 会弹起.线圈炮亦运用相同原理,利用磁力吸引炮弹加速, 在经过一连串的线圈时,磁力转变成速度在炮弹上累积,最后炮弹以最高速度发 射出去,当中的电力经过线圈变成磁力,磁力又吸引铁磁性物质转变成速度,在 动量守恒的理论下,速度会累积叠加最后炮弹以极高速度发射出去. 2016/2017 小学生动手做研究计划―鲍思高粤华小学

9 研究方法 由於技术和安全考量,本研究不会以电磁铁作为产生磁力的来源,从而选择 永久磁铁作为提供磁力的物质.本次研究以实作和试验方式进行,透过同学自己 实作的磁力炮路轨来测试,主要通过改变磁力炮的加速器组间的距离,加速器组 数量,加速器构成,抛射物大小及磁力大小等........