Question

2005年7月欧洲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，光子不但有动能，还有动量，其计算式为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=1 000 W，射出光束的横截面积为S=1.00 mm²，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1.35 kW，探测器质量为M=50 kg，薄膜面积为4×10⁴ m²，那么探测器能得到的加速度为多大?

Answer 1

(1)6.67 Pa (2)7.2×10^-3 m/s²

解析：由E=hν和p=h/λ以及真空中光速c=λν,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_动，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：P₀=E,F=·2p_动,p=将E=p_动c代入，得p=。

所以：(1)p′==Pa=6.67 Pa。

(2)同理可得p=9×10^-6 Pa，再由牛顿第二定律得

a=m/s²=7.2×10^-3 m/s²