(22分)离子推进器是新一代航天动力装置,可用于卫星姿态控制和轨道修正。推进剂从图中P处注入,在A处电离出正离子,BC之间加有恒定电压,正离子进人B时的速度忽略不计,经加

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 牛顿第二定律/2022-10-29 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

(22分)离子推进器是新一代航天动力装置,可用于卫星姿态控制和轨道修正。推进剂从图中P处注入,在A处电离出正离子,BC之间加有恒定电压,正离子进人B时的速度忽略不计,经加速后形成电流为I的离子束后喷出。已知推进器获得的推力为,,单位时间内喷出的离子质量为J。为研究问题方便,假定离子推进器在太空中飞行时不受其他外力,忽略推进器运动速度。

(1)求加在BC间的电压U
(2)为使离子推进器正常运行,必须在出口D处向正离子束注入电子,试解释其原因。

◎ 答案

(1)
(2)推进器持续喷出正离子束,会使带有负电荷的电子留在其中,由于库仑力作用将严重阻碍正离子的继续喷出。电子积累足够多时,甚至会将喷出的正离子再吸引回来,致使推进器无法正常工作。因此,必须在出口D处发射电子注入到正离子束,以中和正离子,使推进器获得持续推力。

◎ 解析


(1)设一个正离子的质量为m,电荷量为q,加速后的速度为v,根据动能定理,有
qU ="=" mv2         ①
设离子推进器在Δt时间内喷出质最为ΔM的正离子,并以其为研究对象,推进器对ΔM的作用力为F′,由动量定理,有
F′Δt ="=" ΔMv                 ②
由牛顿第三定律知
F′ ="=" F                ③
设加速后离子束的横截面积为S,单位体积内的离子数为n,则有
I ="=" nqvS           ④
J ="=" nmv S         ⑤
由④、⑤可得


   ⑥
解得
          ⑦
(2)推进器持续喷出正离子束,会使带有负电荷的电子留在其中,由于库仑力作用将严重阻碍正离子的继续喷出。电子积累足够多时,甚至会将喷出的正离子再吸引回来,致使推进器无法正常工作。因此,必须在出口D处发射电子注入到正离子束,以中和正离子,使推进器获得持续推力。
评分标准:
(1)16分 ,①、②、③、④、⑤式各2分,⑥式1分,⑦式5分;
(2)6分,回答出“积累负电荷”给2分,回答出“阻碍正离子的继续喷出”或“将喷出的正离子再吸引圆来”给3分,噬答出“中和正离子,使推进器获得持续推力”给1分。

◎ 知识点

    专家分析,试题“(22分)离子推进器是新一代航天动力装置,可用于卫星姿态控制和轨道修正。推进剂从图中P处注入,在A处电离出正离子,BC之间加有恒定电压,正离子进人B时的速度忽略不计,经加…”主要考查了你对  【牛顿第二定律】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。

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