Question

美國宇航局的冥王星探測器“新地平線”今年初成功發射，預計2015年到達冥王星，有助于全面了解冥王星本身、太陽系形成的諸多謎團．“新地平線”號探測器使用了“離子發動機”推進技術，其原理是使探測器內攜帶的惰性氣體氙（

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Xe）的中性原子變為一價離子，用電場加速這些氙離子，使其從探測器尾部噴出，利用反沖獲得推動力．已知探測器上離子發動機向外噴射氙離子的等效電流I=0.64A，氙離子被噴出時的速度v=2.9×10⁴ m/s．求：
（1）“新地平線”號探測器得到的推動力F是多大？
（2）“新地平線”號探測器飛行9年到達坦普爾1號彗星，試估算探測器來回至少需帶多少氙．
（3）你認為為什么要選用氙？請任意說出一個理由．（基本電荷e=1.6×10^-19C，原子質量單位1u=1.66×lO^-27kg，1年=3.2×10⁷s，結果保留兩位有效數字）

Answer 1

分析：（1）根據動量定理列式；根據電流強度的表達式列式；最后聯立求解；
（2）先求解測器每秒發射的氙離子的質量，再求解探測器來回至少需帶多少氙；
（3））①氙是惰性氣體，性質穩定，比較安全；②氙的相對原子質量較大，在同樣電壓加速下得到的離子的動量較大；③沒有天然放射性，使用安全；④在常溫下是氣態，便于貯存和傳輸．

解答：解：（1）設t=1s內產生的一價離子數為n個，則I=

q

t

=

ne

t

．
根據動量定理F?△t=△p=nmv．
由以上兩式得F=

Imv

e

=0.025N．
（2）探測器每秒發射的氙離子的質量為

nm

t

=

Im

e

    
探測器來回18年，需發射氙的總質量M=

Im

e

t₂=500kg 
（3）①氙是惰性氣體，性質穩定，比較安全；②氙的相對原子質量較大，在同樣電壓加速下得到的離子的動量較大；③沒有天然放射性，使用安全；④在常溫下是氣態，便于貯存和傳輸．
答：（1）“新地平線”號探測器得到的推動力F是0.025N；
（2）“新地平線”號探測器飛行9年到達坦普爾1號彗星，探測器來回至少需帶500kg氙．
（3）選用氙的理由：①氙是惰性氣體，性質穩定，比較安全；②氙的相對原子質量較大，在同樣電壓加速下得到的離子的動量較大，速度較小；③沒有天然放射性，使用安全；④在常溫下是氣態，便于貯存和傳輸．

點評：本題關鍵是明確探測器是利用反沖原理工作的，確定時間△t后，以△t時間內的氣體為研究對象運用動量定理分析求解．