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1、光压及与之相关的信息题例析湖南长沙市十二中(4100)11刘岳衡光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压。也称为辐射压强。当物体完全吸收正入射的光辐射时，光压等于光波的能量密度；若物体是完全反射体，则光压等于光波能量密度的2倍。这个关系可以由经典电磁理论得到，也可以直接由光的量子理论得到。麦克斯韦依据经典电磁理论首先指出了光压的存在。189年9，俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压，证实了麦克斯韦的预言。光压的存在说明了电磁波具有动量，因而是电磁场物质性的有力证明。爱因斯坦光子假设又进一步说明了光压存在的合理性。光压很小，如果阳光直射到地面，并且光被地面全部吸收，那么地面所感受到的光压也只有
2、X帕。一、测量光压的实验列别捷夫所用仪器的主要部分是一用细线悬挂起来的极轻的悬体R,其上固定有小翼a及b,如图1所示，其中一个涂黑，另一个是光亮的。将悬体R置于如图2所示的真空容器G内。借助透镜及平面镜系统将由弧光灯B发出的光线射向小翼中的一个。由于作用在小翼上的光压力，使悬体R转动。转动的大小，可借助望远镜及固定在轴线上的小镜观察到。移动双镜能使光射在涂黑的小翼上。比较两种情况下悬体转动的大小，列别捷夫测得，涂黑表面所受的光压力比反射表面所受的光压力小一半，与理论完全符合。借助薄片P1使光流的一部分射到温差电池T上可以度量入射光能量的大小，因而可以对理论作出定量的验证。二、光压的量子理论解释
3、按照光子说的观点，光压是光子把它的动量传给物体的结果。体表面每平方米上的能量为E，则每秒垂直入射到物体表面每平方米子具有动量p=hu/c,当光子被物体所吸收时，每个光子传给物体物体所吸收，则物体表面每平方米在每秒内所获得的动量应等于N得的动量，即光作用在这个面上的光压为E/c。当光子被物体所反身则每个光子传给物体的动量为2p=2hu/c。如果入射光子全部被物,体所为N2p=2E/c。在一般情况下，当物体表面的反射系数为p时，则在每秒内入射的全部N个光子中，有(1p)N个被吸收而pN个被反射，所以作用于物体表面上的光压为hvhvEpp,p=(1p)N,pN2=(1,)吸反ccc根据列别捷夫的测量
4、，光压力的数值在测量的误差范围内与理论值符合得很好。三、与光压有关的信息题例析例1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S0，当它垂直照到物体表面并被物体全部反射时，激光对物体表面的压力为F=2pN,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S0表示该光束对物体产生的光压I。(2)有人设想在宇宙探测器中用光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
5、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P1=1.35kW，探测器和薄膜的总质量为m=100kg,薄膜面积为S=4x104m2,求此时探测器的加速度a的大小？分析与解：(1)设题设激光器单位时间内发出的光子数为N,每个光子的能量为E,则激光器的功率可表示为P0=NE,得E=P0/N由题给信息可知，激光对物体表面的压力为F=2Np由光压的定义及光子能量与动量的关系有I=F/S0,p=E/c联立以上几式得I=2P0/(cS0)(2)由(1)的结论可知太阳对薄膜产生的光压为I=2P/(cS)=2xl.35xl03/(3xl08xl)Pa=9xl0-6Pa探测器受到的总光压为
6、F=IS以探测器为研究对象，根据牛顿第二定律得a=F/m=IS/m=9xl0-6x4xl04/l00m/s2=3.6xl0-3m/s2例2光具有波粒二象性，光子的能量E=hu。其中频率表征波的特性。在爱因斯坦提出光子说之后，法国物理学家德布罗意提出了光子动量p与光波波长入的关系：p=h/A。若某激光管以PW=60W的功率发射波长入=6.63Xl0-7m的光束，试根据上述理论计算：(1) 该管在ls内发射出多少个光子；(2) 若光束全部被某黑体表面吸收，那么该黑体表面所受到光束对它的作用力F为多大。分析与解：(l)设在时间厶内发射出的光子数为，光子的频率为U,贝血=c/入。由此有P=nE仏入W将
7、厶及其它数据代入上式，得PWA入/(hc)=60xlx6.63xl0-7/(6.63xl0-34x3xl08)=2.0xl020(个)(2)在时间内激光管发射出的光子全部被黑体表面吸收，光子的末动量变为零，根据题中信息可知,个光子的总动量为总入由动量定理，黑体表面对光子束的作用力为FA总，总联立以上两式得：F=nhu/入UPw/c=60/(3xl08)=2.0xl0-7N又根据牛顿第三定律可知，光子束对黑体表面的作用力为F/=F=2.0xl0-7N参考文献母国光战元令编，光学，人民教育出版社，l978年9月第一版本文发表在中学生理化报(高中物理内容)(国内公开发行)2002年8月8日第l30期(总563期)#
