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高中物理
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综合题
1.
(2018·浙江模拟)
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=2m的圆柱腔分为两个工作区.Ⅰ为电离区,电离区间充有稀薄铯气体,也有轴向的匀强磁场,磁感应强度大小为
,在离轴线 R/2 处的 C点持续射出一定速率范围的电子.假设射出的电子仅在垂直于轴线的截面上运动,截面如图2 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
(
).电子碰撞铯原子使之电离,为了取得好的电离效果,从内圆柱体表面发出的电子在区域内运动时不能与外器壁碰撞。Ⅱ为加速区,两端加有电压,形成轴向的匀强电场.Ⅰ区产生的铯离子以接近 0 的初速度进入Ⅱ区,被加速后以速度
从右侧喷出.这种高速粒子流喷射出去,可推动卫星运动,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,已知铯离子荷质比
,铯离子
,电子质量为
,电量为
, (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;
(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) 要取得好的电离效果,求射出的电子最大速率
与
角的关系;
(4) 若单位时间内喷射出
个铯离子,试求推进器的推力(结果取两位有效数字)。
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