Question

光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成，當光子撞擊光滑的物體平面時，可以像從墻上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，并給撞擊物體以相應的推動作用力。單個光子產生的推力極其微小，在太陽到地球的距離上，眾多光子在1平方米帆面上產生的推力只有，還不足一只螞蟻的重量，加速度很小，但根據速度＝加速度×時間的公式，只要時間足夠長，太陽帆最終能達到一定速度。科學家設想未來的宇宙航事業中利用太陽帆來加速星際飛船。如果帆是白色的，反射全部光子，如果帆是黑色，那么反射光子數忽略不計，設太陽光是垂直入射帆面的。則下列說法正確的是（   ）

A．白色帆面所受推力大

B．黑色帆面所受推力大

C．兩種帆面所受推力一樣大

D．無法確定哪種帆面所受推力大

Answer 1

A

本題以太陽帆為背景，考查了動量定理的定性應用、光子及光子與物質相互作用的特點。這類問題的關鍵在于通過對具體情景的分析，建立準確的物理模型。更確切地說是考查考生建立物理模型的能力。
通過仔細審題可知，光子與物質的相互作用，可以等效為力學中的小球與平板之間的作用，設每一個光子的動量為P，單位面積上入射的光子個數為n，作用時間為Δt，帆面的總面積為s，則對于白色的帆面反射全部光子，可得光子平均作用力的沖量為F₁Δt＝2nsP，則平均作用力為F₁=2nsP/Δt。同理對于黑色的帆面，反射光子數忽略不計，沖量是上述值的一半，亦即平均作用力減半F₂=nsP/Δt，由上述分析易知A是正確的。