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高中物理
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计算题
1.
(2024高三上·浑源月考)
如图甲所示,空间站上某种离子推进器由离子源、间距为
d
的中间有小孔的两平行金属板M、N和边长为
L
的立方体构成,其后端面
P
为喷口。以金属板N的中心
O
为坐标原点,垂直立方体侧面和金属板建立
x
、
y
和
z
坐标轴。M、N板之间存在场强为
E
、方向沿
z
轴正方向的匀强电场;立方体内存在磁场,其磁感应强度沿
z
方向的分量始终为零,沿
x
和
y
方向的分量
和
随时间周期性变化规律如图乙所示,图中
可调。氙离子(
)束从离子源小孔
S
射出,沿z方向匀速运动到M板,经电场加速进入磁场区域,最后从端面
P
射出,测得离子经电场加速后在金属板N中心点
O
处相对推进器的速度为
v
0
。已知单个离子的质量为
m
、电荷量为
, 忽略离子间的相互作用,且射出的离子总质量远小于推进器的质量。
(1) 求离子从小孔
S
射出时相对推进器的速度大小v
S
;
(2) 不考虑在磁场突变时运动的离子,调节
的值,使得从小孔
S
射出的离子均能从喷口后端面
P
射出,求
的取值范围;
(3) 设离子在磁场中的运动时间远小于磁场变化周期
T
, 单位时间从端面
P
射出的离子数为
n
, 且
。求图乙中
时刻离子束对推进器作用力沿z轴方向的分力。
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