美國東部時間2007年9月27日早7時20分,美國航空航天局(NASA)的“黎明”號探測器從佛羅里達州肯尼迪航天中心順利升空,計劃在未來8年時間里飛抵位于小行星帶的終點站.“黎明”號探測器使用離子發(fā)動機,與傳統(tǒng)的航天器化學燃料發(fā)動機不同,新型發(fā)動機將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,再通過電能電離惰性氣體氙氣的原子,產(chǎn)生時速達14.32萬千米的離子流作為推動力,“黎明”號上安裝了3個離子推進器和2個巨大的太陽能板,雙翼間距近20米,足以為它提供穿越太空的能量,燃料利用效率是傳統(tǒng)化學燃料發(fā)動機的10倍. 離子推進器是新一代航天動力裝置,可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正.推進劑從圖中P處注入,在A處電離出正離子,BC之間加有恒定電壓,正離子進入B時的速度忽略不計,經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出.已知推進器獲得的推力為F,單位時間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J,為研究問題方便,假定離子推進器在太空中飛行時不受其他外力,忽略推進器運動速度.
(1)求加在BC間的電壓U;
(2)為使離子推進器正常運行,必須在出口D處向正離子束注入電子,試解釋其原因.

【答案】分析:(1)正離子(m、q)在B、C加速后,由動能定理求獲得的速度.設(shè)推進器在△t時間內(nèi)噴出△M的正離子,且推進器對△M的作用力F′,根據(jù)動量定理求F′,由牛頓第三定律得到推力F.加速后離子束的橫截面積為S,單位體積內(nèi)的離子數(shù)為n,則有 I=nqvS,J=nmvS,兩式相比,得到電流與單位時間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量J之比,聯(lián)立各式,即可求得電壓U.
(2)推進器持續(xù)噴出正離子束,會使帶有負電荷的電子留在其中,這將嚴重阻礙正離子的繼續(xù)噴出,電子積累足夠多時,甚至會將噴出的正離子再吸引回來,致使推進器無法正常工作,故須在D處向正離子束注入電子,以中和正離子,使推進器獲得持續(xù)推力.
解答:解:(1)設(shè)一個正離子(m、q)加速后的速度為v,由動能定理得    ①
設(shè)推進器在△t時間內(nèi)噴出△M的正離子,且推進器對△M的作用力F'
依動量定理,有 F′△t=△Mv②
由牛頓第三定律知 F′=F,③
設(shè)加速后離子束的橫截面積為S,單位體積內(nèi)的離子數(shù)為n,則有 I=nqvS,J=nmvS,
由兩式相比可得 ④
又 
由以上五式可得,加在BC間的電壓 
(2)推進器持續(xù)噴出正離子束,會使帶有負電荷的電子留在其中,這將嚴重阻礙正離子的繼續(xù)噴出,電子積累足夠多時,甚至會將噴出的正離子再吸引回來,致使推進器無法正常工作,故須在D處向正離子束注入電子,以中和正離子,使推進器獲得持續(xù)推力.
答:
(1)加在BC間的電壓U為;
(2)為使離子推進器正常運行,推進器持續(xù)噴出正離子束,會使帶有負電荷的電子留在其中,這將嚴重阻礙正離子的繼續(xù)噴出,電子積累足夠多時,甚至會將噴出的正離子再吸引回來,致使推進器無法正常工作,故須在D處向正離子束注入電子,以中和正離子,使推進器獲得持續(xù)推力.
點評:本題以離子推進器為背景立意命題,設(shè)置新情景,通過模型組合分析考查對物理基礎(chǔ)知識的理解與領(lǐng)悟,此題構(gòu)思巧妙,將動能定理、動量定理、電流強度的概念融于離子推進器中..聯(lián)系現(xiàn)實生產(chǎn)生活和科技應(yīng)用的試題,注重學科知識與能力的具體應(yīng)用,解決此類問題的關(guān)鍵:弄清題意,理順關(guān)系,建立適當?shù)哪P颓蠼猓?
練習冊系列答案
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科目:高中物理 來源: 題型:

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(1)求加在BC間的電壓U;
(2)為使離子推進器正常運行,必須在出口D處向正離子束注入電子,試解釋其原因.

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科目:高中物理 來源:同步題 題型:計算題

美國東部時間2007年8月4日5時26分在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地“鳳凰”號火星探測器搭乘一枚德爾諾2型火箭發(fā)射升空,歷時9個多月走完整整3.5億千米的漫長路程于2008年5月25日到達火星上空,探測器進入火星大氣層,由降落傘帶著以每小時90千米的速度飄向火星表面,并在著陸前4 s打開緩沖火箭,如圖所示,探測器以1 m/s的速度成功軟著陸。試求探測器著陸時的平均加速度。

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科目:高中物理 來源:不詳 題型:問答題

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