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(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)。
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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)
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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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