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高中物理
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综合题
1.
(2020·天津模拟)
离子推进器是太空飞行器常用的动力系统,某种推进器设计的简化原理如图所示,截面半径为R的圆柱腔分为两个工作区.I为电离区,将氙气电离获得1价正离子;II为加速区,长度为L,两端加有电压,形成轴向的匀强电场.I区产生的正离子以接近0的初速度进入II区,被加速后以速度v
M
从右侧喷出.I区内有轴向的匀强磁场,磁感应强度大小为B,在离轴线R/2处的C点持续射出一定速度范围的电子.假设射出的电子仅在垂直于轴线的截面上运动,截面如图所示(从左向右看).电子的初速度方向与中心O点和C点的连线成α角(0<α<90
◦
).推进器工作时,向I区注入稀薄的氙气.电子使氙气电离的最小速度为v
0
, 电子在I区内不与器壁相碰且能到达的区域越大,电离效果越好.已知离子质量为M;电子质量为m,电量为e.(电子碰到器壁即被吸收,不考虑电子间的碰撞).
(1) 求II区的加速电压及离子的加速度大小;
(2) 为取得好的电离效果,请判断I区中的磁场方向(按图2说明是“垂直纸面向里”或“垂直纸面向外”);
(3) α为90°时,要取得好的电离效果,求射出的电子速率v的范围;
(4) 要取得好的电离效果,求射出的电子最大速率v
max
与α角的关系.
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