Question

美國(guó)宇航局的冥王星探測(cè)器“新地平線”今年初成功發(fā)射，預(yù)計(jì)2015年到達(dá)冥王星，有助于全面了解冥王星本身、太陽(yáng)系形成的諸多謎團(tuán)．“新地平線”號(hào)探測(cè)器使用了“離子發(fā)動(dòng)機(jī)”推進(jìn)技術(shù)，其原理是使探測(cè)器內(nèi)攜帶的惰性氣體氙（

13154

Xe）的中性原子變?yōu)橐粌r(jià)離子，用電場(chǎng)加速這些氙離子，使其從探測(cè)器尾部噴出，利用反沖獲得推動(dòng)力．已知探測(cè)器上離子發(fā)動(dòng)機(jī)向外噴射氙離子的等效電流I=0.64A，氙離子被噴出時(shí)的速度v=2.9×10⁴ m/s．求：
（1）“新地平線”號(hào)探測(cè)器得到的推動(dòng)力F是多大？
（2）“新地平線”號(hào)探測(cè)器飛行9年到達(dá)坦普爾1號(hào)彗星，試估算探測(cè)器來(lái)回至少需帶多少氙．
（3）你認(rèn)為為什么要選用氙？請(qǐng)任意說(shuō)出一個(gè)理由．（基本電荷e=1.6×10^-19C，原子質(zhì)量單位1u=1.66×lO^-27kg，1年=3.2×10⁷s，結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）

Answer 1

（1）設(shè)t=1s內(nèi)產(chǎn)生的一價(jià)離子數(shù)為n個(gè)，則I=

q

t

=

ne

t

．
根據(jù)動(dòng)量定理F?△t=△p=nmv．
由以上兩式得F=

Imv

e

=0.025N．
（2）探測(cè)器每秒發(fā)射的氙離子的質(zhì)量為

nm

t

=

Im

e

    
探測(cè)器來(lái)回18年，需發(fā)射氙的總質(zhì)量M=

Im

e

t₂=500kg 
（3）①氙是惰性氣體，性質(zhì)穩(wěn)定，比較安全；②氙的相對(duì)原子質(zhì)量較大，在同樣電壓加速下得到的離子的動(dòng)量較大；③沒(méi)有天然放射性，使用安全；④在常溫下是氣態(tài)，便于貯存和傳輸．
答：（1）“新地平線”號(hào)探測(cè)器得到的推動(dòng)力F是0.025N；
（2）“新地平線”號(hào)探測(cè)器飛行9年到達(dá)坦普爾1號(hào)彗星，探測(cè)器來(lái)回至少需帶500kg氙．
（3）選用氙的理由：①氙是惰性氣體，性質(zhì)穩(wěn)定，比較安全；②氙的相對(duì)原子質(zhì)量較大，在同樣電壓加速下得到的離子的動(dòng)量較大，速度較��；③沒(méi)有天然放射性，使用安全；④在常溫下是氣態(tài)，便于貯存和傳輸．