(22分)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1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

(22分)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1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

题型:不详难度:来源:
(22分)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1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vM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v0,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vM与α的关系。
答案
(1) (2)垂直纸面向外 (3) (4)
解析

试题分析:(1)由动能定律得 

(2)垂直纸面向外
(3)设电子运动的最大半径为r,则

所以有,磁感应强度满足
(4)如图所示
根据几何关系得:
解得:

举一反三
(20分)某学习小组为了研究影响带电粒子在磁场中偏转的因素,制作了一个自动控制装置,如图所示,滑片P可在R2上滑动,在以O为圆心,半径为R=10cm的圆形区域内,有一个方向垂直纸面向外的水平匀强磁场,磁感应强度大小为B=0.10T。竖直平行放置的两金属板A、K相距为d,连接在电路中,电源电动势E=91V,内阻r=1.0Ω,定值电阻R1=10Ω,滑动变阻器R2的最大阻值为80Ω,S1、S2为A、K板上的两个小孔,且S1、S2跟O在竖直极板的同一直线上,OS2=2R,另有一水平放置的足够长的荧光屏D,O点跟荧光屏D点之间的距离为H。比荷为2.0×105C/kg的离子流由S1进入电场后,通过S2向磁场中心射去,通过磁场后落到荧光屏D上。离子进入电场的初速度、重力、离子之间的作用力均可忽略不计。问:

(1)判断离子的电性,并分段描述离子自S1到荧光屏D的运动情况?
(2)如果离子恰好垂直打在荧光屏上的N点,电压表的示数多大?
(3)电压表的最小示数是多少?要使离子打在荧光屏N点的右侧,可以采取哪些方法?
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带电粒子在只考虑已知场力的情况下可能所处的状态是(   )
A.在磁场中做直线运动
B.在匀强电场中做匀速圆周运动
C.在匀强磁场中做类似抛体运动
D.在匀强电场和匀强磁场的复合场中做匀速直线运动

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如图所示,在x轴下方的区域内存在+y方向的匀强电场,电场强度为E。在x轴上方以原点O为圆心、半径为R的半圆形区域内存在匀强磁场,磁场的方向垂直于xoy平面向外,磁感应强度为B。-y轴上的A点与O点的距离为d,一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子从A点由静止释放,经电场加速后从O点射入磁场,不计粒子的重力。

(1)求粒子在磁场中运动的轨道半径r;
(2)要使粒子进人磁场之后不再经过x轴,求电场强度的取值范围;
(3)改变电场强度,使得粒子经过x轴时与x轴成θ=300的夹角,求此时粒子在磁场中的运动时间t及经过x轴的位置坐标值x0
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如图所示,竖直放置的一对平行金属板间的电势差为U1,水平放置的一对平行金属板间的电势差为U2.一电子由静止开始经U1加速后,进入水平放置的金属板间,刚好从下板边缘射出.不计电子重力,下列说法正确的是:
A.增大U1,电子一定打在金属板上
B.减小U1,电子一定打在金属板上
C.减小U2,电子一定能从水平金属板间射出
D.增大U2,电子一定能从水平金属板间射出

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(12分)一束电子流经电压U加速后,在距两极板等距离处垂直进入水平平行板间的匀强电场,如右图所示,若两板间距离d,板长l,那么,要使电子能从平行板间飞出,两个水平极板上最大能加多
大电压?           

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