题目内容

2005年7月欧洲将向金星发射首枚探测器“金星快车”,在金星探测中,动力问题是一个关键问题.目前研究比较成熟又可靠的是太阳帆推进器.根据量子理论,光子不但有能量,还有动量,其计算式为p=h/l ,其中h是普朗克常量,l是光子的波长.既然光子有动量,那么光照到物体表面,光子被物体吸收或反射时,光都会对物体产生压强,这就是“光压”.

  (1)一台二氧化碳气体激光器发出的激光功率为P0=1000W,射出光束的横截面积为S=1.00mm2,当它垂直照射到某一物体表面时,对该物体产生的最大光压将是多大?

  (2)既然光照射物体会对物体产生光压,有人设想在遥远的宇宙探测过程中用光压力为动力推动航天器加速.给探测器安装上面积极大、反射率极高的薄膜,并让它正对太阳.已知在地球绕日轨道上,每平方米面积上得到的太阳光能的功率为1.35kW,探测器质量为M=50kg,薄膜面积为4×104m2,那么探测器能得到的加速度为多大?

答案:见详解
解析:

E=hvp=h/ l 以及真空中光速c=lv,不难得出光子的能量和动量之间的关系:E=pc.设时间t内激光器射出的光子个数为n,每个光子的能量为E,动量为p,激光照到物体上后全部被反射,这时激光对物体的光压最大.设这个压强为p,则有:E pc代入,得p=

  所以:(1)

  (2)同理可得p′=9.0×10-6Pa,再由牛顿第二定律得.这个加速度虽然很小,但通过长时间加速后也能得到可观的速度增量,这对远距离的太空探测来说是可行的.

  说明:“光压”是高中物理没有学到的新概念,但题干中已给出新慨念的定义,在考试中要求学生在短时间内掌握新概念,并根据新概念结合已有知识进行综合分析,找出解题突破口.高考中曾多次考过高中没有学到的一些概念,如“粘滞阻力”、“霍尔效应”、“俄歇电子”、“磁能密度”、“电磁辐射强度”等等.


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