Question

宇宙飛船是人類進行空間探索的重要設備，當飛船升空進入軌道后，出于各種原因經常會出現不同程度的偏離軌道現象．離子推進器是新一代航天動力裝置，也可用于飛船姿態調整和軌道修正，其原理如圖甲所示，首先推進劑從圖中的P處被注入，在A處被電離出正離子，金屬環B、C之間加有恒定電壓，正離子被B、C間的電場加速后從C端口噴出，從而使飛船獲得推進或姿態調整的反沖動力．假設總質量為M的衛星，正在以速度v沿MP方向運動，已知現在的運動方向與預定方向MN成θ角．如圖乙所示．為了使飛船回到預定的飛行方向MN，飛船啟用推進器進行調整．已知推進器B、C間的電壓大小為U，帶電離子進入B時的速度忽略不計，經加速后形成電流強度為I離子束從C端口噴出，若單個離子的質量為m，電量為q，忽略離子間的相互作用力，忽略空間其他外力的影響，忽略離子噴射對衛星質量的影響．請完成下列計算任務：

（1）正離子經電場加速后，從C端口噴出的速度v是多大？
（2）推進器開啟后飛船受到的平均推力F是多大？
（3）如果沿垂直于飛船速度的方向進行推進，且推進器工作時間極短，為了使飛船回到預定的飛行方向，離子推進器噴射出的離子數N為多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）根據動能定理qU=mv²，即可求解；
（2）根據卻是定理與電量表達式相結合，則即可求解；
（3）由速度的合成，與動量守恒定律相綜合，從而求解．
解答：解：（1）由動能定理可知，qU=mv² 
解得：
（2）以t秒內噴射的離子（nm）為研究對象，應用動量定理有

又因為，
解之得：（為nm受到的平均沖力）
由牛頓第三定律知，飛船受到的平均反沖力大小為
（3）飛船方向調整前后，其速度合成矢量如圖所示
△V=Vtanθ 
因系統總動量守恒（而且M＞＞Nm）
又因M△V=Nmv 
解得：
答：（1）正離子經電場加速后，從C端口噴出的速度v是；
（2）推進器開啟后飛船受到的平均推力F是；
（3）如果沿垂直于飛船速度的方向進行推進，且推進器工作時間極短，為了使飛船回到預定的飛行方向，離子推進器噴射出的離子數N為．
點評：本題難度較大，考查的內容較多較深，知識點錯綜復雜，但只要我們按題目最后的要求一層一層往前推導，通過聯想類比就有可能順利解決問題．