光是由没有静态质量但有动量的光子构成，当光子撞击光滑的物体平面时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的推动作用力。单个光子产生的推力

Question

光是由没有静态质量但有动量的光子构成，当光子撞击光滑的物体平面时，可以像从墙上反弹回来的乒乓球一样改变运动方向，并给撞击物体以相应的推动作用力。单个光子产生的推力极其微小，在太阳到地球的距离上，众多光子在1平方米帆面上产生的推力只有 ，还不足一只蚂蚁的重量，加速度很小，但根据速度＝加速度×时间的公式，只要时间足够长，太阳帆最终能达到一定速度。科学家设想未来的宇宙航事业中利用太阳帆来加速星际飞船。如果帆是白色的，反射全部光子，如果帆是黑色，那么反射光子数忽略不计，设太阳光是垂直入射帆面的。则下列说法正确的是（   ）

A．白色帆面所受推力大

B．黑色帆面所受推力大

C．两种帆面所受推力一样大

D．无法确定哪种帆面所受推力大

Answer 1

A

本题以太阳帆为背景，考查了动量定理的定性应用、光子及光子与物质相互作用的特点。这类问题的关键在于通过对具体情景的分析，建立准确的物理模型。更确切地说是考查考生建立物理模型的能力。
通过仔细审题可知，光子与物质的相互作用，可以等效为力学中的小球与平板之间的作用，设每一个光子的动量为 P ，单位面积上入射的光子个数为 n ，作用时间为Δ t ，帆面的总面积为 s ，则对于白色的帆面反射全部光子，可得光子平均作用力的冲量为 F ₁ Δ t ＝2 nsP ，则平均作用力为 F ₁ =2 nsP /Δ t 。同理对于黑色的帆面，反射光子数忽略不计，冲量是上述值的一半，亦即平均作用力减半 F ₂ = nsP /Δ t ，由上述分析易知A是正确的。