Question

近期《科學》中文版的文章介紹了一種新技術--航天飛纜，航天飛纜是用柔性纜索將兩個物體連接起來在太空飛行的系統。飛纜系統在太空飛行中能為自身提供電能和拖曳力，它還能清理"太空垃圾"等。從1967年至1999年17次試驗中，飛纜系統試驗已獲得部分成功。該系統的工作原理可用物理學的基本定律來解釋。

下圖為飛纜系統的簡化模型示意圖，圖中兩個物體P，Q的質量分別為m_P、m_Q，柔性金屬纜索長為l，外有絕緣層，系統在近地軌道作圓周運動，運動過程中Q距地面高為h。設纜索總保持指向地心，P的速度為v_P。已知地球半徑為R，地面的重力加速度為g。

（1）飛纜系統在地磁場中運動，地磁場在纜索所在處的磁感應強度大小為B，方向垂直于紙面向外。設纜索中無電流，問纜索P、Q哪端電勢高？此問中可認為纜索各處的速度均近似等于v_P，求P、Q兩端的電勢差；

（2）設纜索的電阻為R₁，如果纜索兩端物體P、Q通過周圍的電離層放電形成電流，相應的電阻為R₂，求纜索所受的安培力多大；

（3）求纜索對Q的拉力F_Q。

Answer 1

（1）P、Q兩點電勢差  U_PQ=Blv_p，P點電勢高

（2  安培力

（3）

解析:

（1）纜索的電動勢  E=Blv_p

 P、Q兩點電勢差  U_PQ=Blv_p，P點電勢高

（2）纜索電流

  安培力

（3）Q的速度設為v_Q，Q受地球引力和纜索拉力F_Q作用

            ①

P、Q角速度相等         ②

又                           ③

聯立①、②、③解得：