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

c
(式中h为普朗克恒量;γ为光频率;c为光速),则:

(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

c

n=

PSt0

由牛顿第二定律得a=

F
m

由①②③式解得a=

2PS
mc

(2)同理可知F′t0=n

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

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