问题
问答题
科学家设想在未来的航天事业中用太阳帆来加速星际宇宙飞船,按照近代光的粒子说,光由光子组成,飞船在太空张开太阳帆,使太阳光垂直射到太阳帆上,太阳帆面积为S,太阳帆对光的反射率为100%,设太阳帆上每单位面积接受太阳光的辐射功率为P(即单位时间t0内有Pt0的光能到达).已知每个光子动量为
(式中h为普朗克恒量;γ为光频率;c为光速),则:hγ c
(1)若飞船总质量为m,求飞船加速度的表达式.
(2)如果太阳帆对阳光一面是黑色,可以完全吸收太阳光,则飞船加速度表达式又是怎样的?
答案
(1)设单位时间t0内射到太阳帆上的光子数为n,太阳帆受到光子的作用力为F,根据动量定理可得:Ft0=2n
①hγ c
n=
②PSt0 hγ
由牛顿第二定律得a=
③F m
由①②③式解得a=2PS mc
(2)同理可知F′t0=nhγ c
a=
=F′ m pS mc
答:(1)飞船加速度的表达式为
;2PS mc
(2)飞船加速度表达式为
.pS mc