Question

近期《科学》中文版的文章介绍了一种新技术--航天飞缆，航天飞缆是用柔性缆索将两个物体连接起来在太空飞行的系统。飞缆系统在太空飞行中能为自身提供电能和拖曳力，它还能清理"太空垃圾"等。从1967年至1999年17次试验中，飞缆系统试验已获得部分成功。该系统的工作原理可用物理学的基本定律来解释。

下图为飞缆系统的简化模型示意图，图中两个物体P，Q的质量分别为m_P、m_Q，柔性金属缆索长为l，外有绝缘层，系统在近地轨道作圆周运动，运动过程中Q距地面高为h。设缆索总保持指向地心，P的速度为v_P。已知地球半径为R，地面的重力加速度为g。

（1）飞缆系统在地磁场中运动，地磁场在缆索所在处的磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面向外。设缆索中无电流，问缆索P、Q哪端电势高？此问中可认为缆索各处的速度均近似等于v_P，求P、Q两端的电势差；

（2）设缆索的电阻为R₁，如果缆索两端物体P、Q通过周围的电离层放电形成电流，相应的电阻为R₂，求缆索所受的安培力多大；

（3）求缆索对Q的拉力F_Q。

Answer 1

（1）P、Q两点电势差  U_PQ=Blv_p，P点电势高

（2  安培力

（3）

解析:

（1）缆索的电动势  E=Blv_p

 P、Q两点电势差  U_PQ=Blv_p，P点电势高

（2）缆索电流

  安培力

（3）Q的速度设为v_Q，Q受地球引力和缆索拉力F_Q作用

            ①

P、Q角速度相等         ②

又                           ③

联立①、②、③解得：