如图甲所示为离子推进器,由离子源、间距为d的平行栅电极C、D和棱长为L的立方体空间构成,工作原理简化为如图乙所示。氙离子从离子源飘移过栅电极C(速度大小可忽略不计),在栅电极C、D之间施加垂直于电极、场强为E的匀强电场,氙离子在电场中加速并从栅电极D喷出,在加速氙离子的过程中飞船获得推力。离子推进器处于真空环境中,不计氙离子间的相互作用及重力影响,氙离子的质量为m、电荷量为q,推进器的总质量为M。若该离子推进器固定在地面上进行实验。
(1)求氙离子从栅电极D喷出时速度v0的大小;
(2)在栅电极D的右侧立方体空间加垂直向里的匀强磁场,从栅电极C中央射入的氙离子加速后经栅电板D的中央O点进入磁场,恰好打在立方体的棱EF的中点Q上。求所加磁场磁感应强度B的大小。
(3)若该离子推进器在静止悬浮状态下进行实验,撤去离子推进器中的磁场,调整栅电极间的电场,推进器在开始的一段极短时间内喷射出N个氙离子以水平速度v通过栅电极D,该过程中离子和推进器获得的总动能占推进器提供能量的η倍,推进器的总质量可视为保持不变,推进器的总功率为P,求推进器获得的平均推力F的大小。

【答案】(1)氙离子从栅电极D喷出时速度v0的大小为;
(2)所加磁场磁感应强度B的大小为;
(3)推进器获得的平均推力F的大小为。
2
q
E
d
m
(2)所加磁场磁感应强度B的大小为
4
5
L
2
m
E
d
q
(3)推进器获得的平均推力F的大小为
2
η
PM
(
M
+
N
m
)
v
【解答】
【点评】
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发布:2024/6/27 10:35:59组卷:156引用:1难度:0.3
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