離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正．推進(jìn)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(jìn)人B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出．已知推進(jìn)器獲得的推力為F，單位時(shí)間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J．為研究問(wèn)題方便，假定離子推進(jìn)器在太空中飛行時(shí)不受其他外力，忽略推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)速度．
（1）求加在BC間的電壓U；
（2）為使離子推進(jìn)器正常運(yùn)行，必須在出口D處向正離子束注入電子，試解釋其原因．
精英家教網(wǎng)
（1）設(shè)一個(gè)正離子的質(zhì)量為m，電荷量為q，加速后的速度為v，
根據(jù)動(dòng)能定理，有qU=
1
2
mv2           ①
設(shè)離子推進(jìn)器在△t時(shí)間內(nèi)噴出質(zhì)量為△M的正離子，并以其為研究對(duì)象，推進(jìn)器對(duì)△M的作用力為F'，由動(dòng)量定理，有F'△t=△Mv       ②
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，根據(jù)電流的微觀表達(dá)式有I=nqvs           ④
單位時(shí)間內(nèi)噴出離子的個(gè)數(shù)N=nvs
單位時(shí)間內(nèi)噴出離子的質(zhì)量J=nmvs         ⑤
由④、⑤可得
I
J
=
q
m

又J=
△M
△t
⑥
解得U=
F2
2JI
⑦
（2）推進(jìn)器持續(xù)噴出正離子束，會(huì)使帶有負(fù)電荷的電子留在其中，由于庫(kù)侖力作用將嚴(yán)重阻礙正離子的繼續(xù)噴出．電子積累足夠多時(shí)，甚至?xí)䦟姵龅恼x子再吸引回來(lái)，致使推進(jìn)器無(wú)法正常工作．因此，必須在出口D處向發(fā)射正離子束注入電子以中和正離子，使推進(jìn)器獲得持續(xù)推力．
練習(xí)冊(cè)系列答案
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科目：高中物理 來(lái)源： 題型：

（2010?紅橋區(qū)二模）宇宙飛船是人類進(jìn)行空間探索的重要設(shè)備，當(dāng)飛船升空進(jìn)入軌道后，出于各種原因經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏離軌道現(xiàn)象．離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，也可用于飛船姿態(tài)調(diào)整和軌道修正，其原理如圖甲所示，首先推進(jìn)劑從圖中的P處被注入，在A處被電離出正離子，金屬環(huán)B、C之間加有恒定電壓，正離子被B、C間的電場(chǎng)加速后從C端口噴出，從而使飛船獲得推進(jìn)或姿態(tài)調(diào)整的反沖動(dòng)力．假設(shè)總質(zhì)量為M的衛(wèi)星，正在以速度v沿MP方向運(yùn)動(dòng)，已知現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)方向與預(yù)定方向MN成θ角．如圖乙所示．為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向MN，飛船啟用推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)整．已知推進(jìn)器B、C間的電壓大小為U，帶電離子進(jìn)入B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流強(qiáng)度為I離子束從C端口噴出，若單個(gè)離子的質(zhì)量為m，電量為q，忽略離子間的相互作用力，忽略空間其他外力的影響，忽略離子噴射對(duì)衛(wèi)星質(zhì)量的影響．請(qǐng)完成下列計(jì)算任務(wù)：

（1）正離子經(jīng)電場(chǎng)加速后，從C端口噴出的速度v是多大？
（2）推進(jìn)器開啟后飛船受到的平均推力F是多大？
（3）如果沿垂直于飛船速度的方向進(jìn)行推進(jìn)，且推進(jìn)器工作時(shí)間極短，為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向，離子推進(jìn)器噴射出的離子數(shù)N為多少？

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科目：高中物理 來(lái)源： 題型：

精英家教網(wǎng)離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正．推進(jìn)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(jìn)人B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出．已知推進(jìn)器獲得的推力為F，單位時(shí)間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J．為研究問(wèn)題方便，假定離子推進(jìn)器在太空中飛行時(shí)不受其他外力，忽略推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)速度．
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精英家教網(wǎng)美國(guó)東部時(shí)間2007年9月27日早7時(shí)20分，美國(guó)航空航天局（NASA）的“黎明”號(hào)探測(cè)器從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心順利升空，計(jì)劃在未來(lái)8年時(shí)間里飛抵位于小行星帶的終點(diǎn)站．“黎明”號(hào)探測(cè)器使用離子發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的航天器化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同，新型發(fā)動(dòng)機(jī)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電能電離惰性氣體氙氣的原子，產(chǎn)生時(shí)速達(dá)14.32萬(wàn)千米的離子流作為推動(dòng)力，“黎明”號(hào)上安裝了3個(gè)離子推進(jìn)器和2個(gè)巨大的太陽(yáng)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(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍． 離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正．推進(jìn)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(jìn)入B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出．已知推進(jìn)器獲得的推力為F，單位時(shí)間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J，為研究問(wèn)題方便，假定離子推進(jìn)器在太空中飛行時(shí)不受其他外力，忽略推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)速度．
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美國(guó)東部時(shí)間2007年9月27日早7時(shí)20分，美國(guó)航空航天局(NASA)的“黎明”號(hào)探測(cè)器從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心順利升空，計(jì)劃在未來(lái)8年時(shí)間里飛抵位于小行星帶的終點(diǎn)站�！袄杳鳌碧�(hào)探測(cè)器使用離子發(fā)動(dòng)機(jī), 與傳統(tǒng)的航天器化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)不同，新型發(fā)動(dòng)機(jī)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電能電離惰性氣體氙氣的原子，產(chǎn)生時(shí)速達(dá)14.32萬(wàn)千米的離子流作為推動(dòng)力, “黎明”號(hào)上安裝了3個(gè)離子推進(jìn)器和2個(gè)巨大的太陽(yáng)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(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍。 離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正。推進(jìn)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(jìn)入B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出。已知推進(jìn)器獲得的推力為F，單位時(shí)間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J, 為研究問(wèn)題方便，假定離子推進(jìn)器在太空中飛行時(shí)不受其他外力，忽略推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)速度。
    (1)求加在BC間的電壓U;
    (2)為使離子推進(jìn)器正常運(yùn)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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宇宙飛船是人類進(jìn)行空間探索的重要設(shè)備，當(dāng)飛船升空進(jìn)入軌道后，由于各種原因經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏離軌道現(xiàn)象。離子推進(jìn)器是新一代航天動(dòng)力裝置，也可用于飛船姿態(tài)調(diào)整和軌道修正，其原理如圖1所示，首先推進(jìn)劑從圖中的P處被注入，在A處被電離出正離子，金屬環(huán)B、C之間加有恒定電壓，正離子被B、C間的電場(chǎng)加速后從C端口噴出，從而使飛船獲得推進(jìn)或姿態(tài)調(diào)整的反沖動(dòng)力。

假設(shè)總質(zhì)量為M的衛(wèi)星，正在以速度V沿MP方向運(yùn)動(dòng)，已知現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)方向與預(yù)定方向MN成θ角，如圖2所示。為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向MN，飛船啟用推進(jìn)器進(jìn)行調(diào)整。

已知推進(jìn)器B、C間的電壓大小為U，帶電離子進(jìn)入B時(shí)的速度忽略不計(jì)，經(jīng)加速后形成電流強(qiáng)度為I的離子束從C端口噴出，若單個(gè)離子的質(zhì)量為m，電量為q，忽略離子間的相互作用力，忽略空間其他外力的影響，忽略離子噴射對(duì)衛(wèi)星質(zhì)量的影響。請(qǐng)完成下列計(jì)算任務(wù)：

（1）正離子經(jīng)電場(chǎng)加速后，從C端口噴出的速度v是多大？

（2）推進(jìn)器開啟后飛船受到的平均推力F是多大？

（3）如果沿垂直于飛船速度V的方向進(jìn)行推進(jìn)，且推進(jìn)器工作時(shí)間極短，為了使飛船回到預(yù)定的飛行方向，離子推進(jìn)器噴射出的粒子數(shù)N為多少？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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