题目内容

根据量子理论，光子不但有能量E=hv而且有动量，计算式为p=h/λ，其中h是普朗克常量，λ是光子的波长．既然光子有动量，那么照物体表面的光子被物体吸收或反射时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=103W，射出的光束的横截面积为S=1.00mm2，当它垂直照射到某一物体表面时，对该物体产生的光压最大，最大光压是多少？
（2）有人设想在遥远的宇宙探测中用光压为动力推动航天器加速，给探测器安上面积极大、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，每秒单位面积上得到的太阳光能为1.35kJ，探测器质量为M=50kg，薄膜同积为4×104m2，那么探测器得到的加速度为多大？
（1）由E=hv，p=
h
λ
以及光在真空中光速c=λv知，
光子的动量和能量之间关系为E=pc．
设时间t内激光器射出光子个数为n，每个光子能量为E，激光射到物体上后全部反射，
则这时激光对物体的光压最大，设这个压强为P压
激光器的功率P0=
n
t
E
由动量定理得：F
t
n
=2p
压强p压=
F
S

由以上各式得p压=
2P0
cS
=
2×103
3×108+10-6
Pa=6.7Pa
（2）同理可得：p′压=9×10-6Pa
探测器受到光压力为F=p'压S
对探测器应用牛顿第二定律F=Ma
可得a=
p′压S
M
=7.2×10-3m/s2
答：（1）最大光压是6.7Pa
（2）探测器得到的加速度为7.2×10-3m/s2
练习册系列答案
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根据量子理论，光子的能量E和动量p之间的关系式为E=pC，其中c表示光速，由于光子有动量，照到物体表面的光子被物体吸收或反射时都会对物体产生压强，这就是“光压”，用I表示．
（1）一台二氧化碳气体激光器发出的激光，功率为P0，射出的光束的横截面积为S．当它直照射到一物体表面并被物体全部反射时，激光对物体表面的压力F=2p?N，其中p表示光子的动量，N表示单位时间内激光器射出的光子数．试用P0和S表示该束激光对物体产生的光压I；
（2）有人设想在宇宙探测中用光为动力使探测器加速，探测器上安装有面积极大，反射率极高的薄膜，并让它正对太阳，已知太阳光照射薄膜时每平方米面积上的辐射功率为1.35kw，探测器和薄膜的总质量为m=100kg，薄膜面积为4×104m2，求此时探测器的加速度大小？（不考虑万有引力等其它的力）
（2003?肇庆模拟）根据量子理论，光子具有动量．光子的动量等于光子的能量除以光速，即P=E/c．光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”．光压是光的粒子性的典型表现．光压的产生机理如同气体压强：由大量气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强．
（1）激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S．当该激光束垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．
（2）若该激光束被物体表面完全反射，试求出其在物体表面引起的光压表达式．
（3）设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然这只须当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行．现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系．试估算这种平板的厚度应小于多少（计算结果保留二位有效数字）？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内各行星对平板的影响．已知地球公转轨道上的太阳常量为1.4×103J/m2?s（即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量），地球绕太阳公转的加速度为5.9×10-3m/s2）

（16分）根据量子理论，光子具有动量。光子的动量等于光子的能量除以光速，即，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”。光压是光的粒子性的典型表现。光压的产生机理如同气体压强：由大量气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强。

（1）激光器发生的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S.当该激光束垂直照射在物体表面，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量.

（2）若该激光束被物体表面完全反射，试求出其在物体表面引起的光压表达式.

（3）设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然这只有当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行.现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系.试估算这种平板的厚度应小于多少米（计算结果保留二位有效数字）？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内各行星对平板的影响.已知地球公转轨道上的太阳常量为1.4×103J/m2?s（即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量，地球绕太阳公转的加速度为5.9×10－3m/s2）。

根据量子理论，光子的能量E和动量p之间的关系式为E =pc，其中c表示光速.由于光子有动量，照到物体表面的光子被物体吸收或反射时都会对物体产生压强，这就是“光压”，用I表示.

(1)一台二氧化碳气体激光器发出的激光，功率为P0，射出的光束的横截面积为S.当它垂直照射到一物体表面并被物体全部反射时，激光对物体表面的压力F=2p·N，其中p表示光子的动量，N表示单位时间内激光器射出的光子数.试用P0和S表示该束激光对物体产生的光压I.

(2)有人设想在宇宙探测中用光作为动力推动探测器加速，探测器上安装有面积极大、反射率极高的薄膜，并让它正对太阳.已知太阳光照射薄膜时对每平方米面积上的辐射功率为1.35 kW，探测器和薄膜的总质量为m=100 kg，薄膜面积为4×104 m2，求此时探测器的加速度大小.(不考虑万有引力等其他的力)

根据量子理论，光子具有动量，光子的动量等于光子的能量除以光速，即p=E/C，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”．光压是光的粒子性的典型表现．光压的产生机理如同气体压强：由大量的气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强．

①激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S．当该激光垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．

②若该激光束被物体表面完全反射，证明其在物体表面引起的光压是2P/CS．

③设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然只有当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行．现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系．试估算这种平板车的厚度应小于多少？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内其它各行星对平板的影响，已知地球公转轨道上的太阳能量为1.4×103J/m2·s(即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量)，地球绕太阳公转的加速度为5.9×10－3m/s2．

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