Question

美国宇航局的冥王星探测器“新地平线”今年初成功发射，预计2015年到达冥王星，有助于全面了解冥王星本身、太阳系形成的诸多谜团．“新地平线”号探测器使用了“离子发动机”推进技术，其原理是使探测器内携带的惰性气体氙（

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Xe）的中性原子变为一价离子，用电场加速这些氙离子，使其从探测器尾部喷出，利用反冲获得推动力．已知探测器上离子发动机向外喷射氙离子的等效电流I=0.64A，氙离子被喷出时的速度v=2.9×10⁴ m/s．求：
（1）“新地平线”号探测器得到的推动力F是多大？
（2）“新地平线”号探测器飞行9年到达坦普尔1号彗星，试估算探测器来回至少需带多少氙．
（3）你认为为什么要选用氙？请任意说出一个理由．（基本电荷e=1.6×10^-19C，原子质量单位1u=1.66×lO^-27kg，1年=3.2×10⁷s，结果保留两位有效数字）

Answer 1

分析：（1）根据动量定理列式；根据电流强度的表达式列式；最后联立求解；
（2）先求解测器每秒发射的氙离子的质量，再求解探测器来回至少需带多少氙；
（3））①氙是惰性气体，性质稳定，比较安全；②氙的相对原子质量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大；③没有天然放射性，使用安全；④在常温下是气态，便于贮存和传输．

解答：解：（1）设t=1s内产生的一价离子数为n个，则I=

q

t

=

ne

t

．
根据动量定理F?△t=△p=nmv．
由以上两式得F=

Imv

e

=0.025N．
（2）探测器每秒发射的氙离子的质量为

nm

t

=

Im

e

    
探测器来回18年，需发射氙的总质量M=

Im

e

t₂=500kg 
（3）①氙是惰性气体，性质稳定，比较安全；②氙的相对原子质量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大；③没有天然放射性，使用安全；④在常温下是气态，便于贮存和传输．
答：（1）“新地平线”号探测器得到的推动力F是0.025N；
（2）“新地平线”号探测器飞行9年到达坦普尔1号彗星，探测器来回至少需带500kg氙．
（3）选用氙的理由：①氙是惰性气体，性质稳定，比较安全；②氙的相对原子质量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大，速度较小；③没有天然放射性，使用安全；④在常温下是气态，便于贮存和传输．

点评：本题关键是明确探测器是利用反冲原理工作的，确定时间△t后，以△t时间内的气体为研究对象运用动量定理分析求解．