光壓和太陽帆

2020-10-16 一起學物理

1 光壓

1905年，愛因斯坦提出，在空間傳播的光不是連續的，而是一份一份的，每一份叫做一個光量子，簡稱光子。光子的能量E跟光的頻率ν成正比，即E=hν，h是普朗克常量，這個學說後來叫做光子說。

根據量子理論，光子具有動量，光子的動量P和光子的能量E之間的關係為P=E/c，c為光速。光照到物體表面時，會對物體產生壓強，這就是「光壓」。光壓是光的粒子性的典型表現。光壓的產生機理如同氣體壓強：由大量氣體分子與器壁的頻繁碰撞產生了持續均勻的壓力，器壁在單位面積上受的壓力就是氣體的壓強。

光照射到物體表面時，光子和物體碰撞，設物體對光子的作用力為F，作用時間為Δt，由動量定理可知：FΔt=ΔP，當光子被物體完全吸收時，FΔt= P；當光子被物體完全反射時，FΔt=2 P。由牛頓第三定律可知，光子對物體的作用力大小等於F。

2 關於光壓的實驗

1899年，俄國物理學家列別捷夫用實驗測得了光壓。列別捷夫所用儀器的主要部分是一用細線懸掛起來的極輕的懸掛體R，其上固定有兩個小翼a及b，其中a是光亮的，b塗黑。將懸掛體R置於真空容器內。用強光射向小翼中a，由於作用在小翼上的光壓力，使懸體R轉動。再使光射到塗黑的小翼b上。比較兩種情況下懸掛體轉動的大小，列別捷夫測得，塗黑表面所受的光壓力比反射表面所受的光壓力小一半，與理論完全符合。

彗星經過太陽附近尾部發生彎曲，就是受到太陽光壓的緣故．

3 太陽帆太空飛行器

莫斯科時間2001年7月20日4時31分，俄羅斯成功地發射了「宇宙1號」太空飛行器，該太空飛行器是世界上首次使用太陽帆作為動力裝置的太空飛行器。

太陽帆太空飛行器是一種利用太陽光的壓力進行太空飛行的太空飛行器。在沒有空氣的宇宙空間中，太陽光光子會連續撞擊太陽帆，使太陽帆獲得的動量逐漸遞增，從而產生加速度。「宇宙1號」太空飛行器在運載火箭的推動下，進入遠地點約1200km的太空預定軌道後，按預設程序拋棄保護罩，並緩緩地綻開兩個花瓣狀、總直徑約26m的、表面覆蓋著鋁薄膜的太陽帆。這艘太陽帆太空飛行器在近地軌道飛行約25分鐘後，按預定計劃返回。這次成功的試驗飛行證明，利用太陽光壓提供的推力，可以使飛船在太空中航行。

著名天文學家克卜勒在400年前就曾設想不要攜帶任何能源，僅僅依靠太陽光能就可使宇宙帆船馳騁太空。但太陽帆飛船這一概念到20世紀20年代才明晰起來。由於太陽光子具有源源不斷、方向固定等特點，藉助太陽帆為動力的太空飛行器無須攜帶任何燃料，在太陽光子的撞擊下太空飛行器的飛行速度會不斷增加，並最終飛向距地球非常遙遠的天體。

光壓很小，在太空中運行的太空飛行器處於失重狀態，無空氣阻力，只要加少許力的作用，就會改變運動方向和速度大小。太陽帆一直接受光壓的作用，不僅能改變太空飛行器的運行軌道，而且能使其不斷加速飛行。俄羅斯發射「宇宙1號」太空飛行器的目的，主要是測試形如花瓣的兩個太陽帆能否在太空中產生動力，檢驗現行方案的合理程度，並為更遠距離的航行提供借鑑，探索將來無需大量燃料而進行星際旅行的可能性。

4 理論上發送一個光壓火星探測器

天問一號於2020年7月23日，在中國文昌航天發射場由長徵五號遙四運載火箭發射升空 ，成功進入預定軌道 。

天問一號成功升空，計劃飛行約7個月抵達火星，並通過2至3個月的環繞飛行後著陸火星表面，開展探測任務。任務將開展對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等科學探測，實現中國在深空探測領域的技術跨越 。深空探測將推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展，為服務國家發展大局和增進人類福祉作出更大貢獻.

太陽帆太空飛行器是一種利用太陽光的壓力進行太空飛行的太空飛行器。在沒有空氣的宇宙空間中，太陽光光子會連續撞擊太陽帆，使太陽帆獲得的動量逐漸遞增，從而產生加速度。

光子能量E=mc²，m為光子的運動質量，c為光速，光子有動量。一太陽帆探測器，質量M=100㎏，陽光垂直射向它的太陽帆並被完全吸收，太陽帆的面積S=300㎡，已知太陽常數（單位時間內垂直輻射在單位面積上的太陽光能量）為b=1.4×10³J/m²·s.不考慮其他任何力的影響和太陽常數的變化，火星與地球之間的距離為5670萬公裡,太陽帆探測器從近地軌道飛到火星需要多長時間？

思路：利用高中物理知識和近似模型,粗略的估算一下,僅靠光壓驅動火星探測器,從地球到火星需要的時間t.

光子的動量p=mc=E/c

光子與太陽帆碰撞後速度為零，平均作用力為Fo，作用時間為Δt，由動量定理得

FoΔt=p

Δt時間內有n個光子射向太陽帆

n=bΔt·S/E

整個太陽帆收的光壓力

F=n·Fo=bS/c=1.4×10ˉ³N

由牛頓第二定律，可得加速度

a=F/M=1.4×10ˉ⁵m/s²

飛船作勻加速直線運動L=at²/2

t=9×10⁷s≈3年

相關焦點

  • 太陽帆驗證成功!首個地球軌道上受控運行的太陽帆飛行器誕生
    太陽帆驗證成功！據美國行星學會發布的消息，這個飛行器於7月23日展開銀色太陽帆，經地面人員優化調整朝向後開始圍繞地球提升軌道，從7月26日至7月30日藉助太陽帆將遠地點提高2公裡，距地表約727公裡。
  • 我國首次完成太陽帆太空試驗
    這是我國首次完成太陽帆太空在軌關鍵技術試驗，在太陽帆研發領域取得重大突破，邁向國際先進水平。一級展開釋放將太陽帆帆體從衛星平臺中推出並翻轉90度；二級展開機構採用主動驅動伸出四根雙穩態帆桁，逐漸展開帆膜形成光帆，帆膜展開尺寸約為0.6平方米。
  • 「光壓」是什麼?它能「驅動」未來人類的科技進程嗎?
    當彗星靠近太陽時，由於太陽輻射的光壓力，彗星中的塵埃和氣體分子產生尾巴，尾巴總是指向太陽的相反方向。根據經典電磁理論，麥克斯韋首先指出了光壓的存在，根據電磁理論解釋了光壓現象，並計算了光壓值。「太陽帆」，驅動飛船在星際間航行，尤其是科幻小說家阿瑟·克拉克，他在小說《太陽帆船》提出的「太陽帆」概念，深入人心。
  • 中國發現新型太陽帆材料 推力可提高1000倍
    電影《阿凡達》中，人類飛抵4光年外的比鄰星所使用的巨大宇宙飛船採用了16平方公裡的巨大太陽帆作為動力，最近中國科學家發現的一種新型材料或許能將這個面積降低1000倍。據悉，天津南開大學教授陳永勝、田建國的聯合科研團隊發現的一種石墨烯材料具備「光動」飛行能力，單位面積材料產生的推力是傳統光壓推動的1000倍。
  • 根據光壓現象製造的雷射帆,可以進行星際旅行嗎?
    在上中學時就接觸過光壓這個概念。從根本上說，凡是以波的形式進行傳播的光，聲等都會有能量傳遞的現象存在（例如雷射武器和聲波懸浮），也就是說，會產生一定的推力（壓力）。光壓風扇 後來通過報刊得知歐洲和日本的一些科學家，還提出了一種利用光壓的形式進行星際旅行的太陽帆的概念。因為地球上特定環境因素，使得太陽帆無法在地球大氣層內進行驗證和應用。但是地球大氣層之外的太空，由於接近真空。所以有著得天獨厚的驗證太陽光的環境優勢。
  • 我國首次完成太陽帆關鍵試驗,美國人:或是太空探索下一個領導者
    但是有一個方式具有很大的前景，那就是利用太陽光壓進行航行的太空飛行器---太陽帆。最近，我國在這方面取得了重大突破，我們正在研究的太陽帆材料或將讓我們遙遙領先。同時這也是我國首次完成太陽帆在軌關鍵技術試驗，為後續的太陽帆積累了經驗。太陽是永不枯竭的能源，由於太空中運行的太空飛行器處於失重狀態又沒有空氣阻力，所以輕微的太陽的光壓就能讓它加速。太陽帆靠的就是光帆，這種輕薄的薄膜非常堅硬，表面上覆蓋著反射物質，反光性質非常好。光帆反射出光壓產生反作用力，這樣就能推動飛船飛行。
  • 薩馬拉科學家製作可飛往太陽系各星球的航天帆模型
    薩馬拉大學的科學家製作了能夠不用燃料機動的甜甜圈狀航天帆的模型。他們所開展的研究首次證明了利用太陽帆(Solar sails)進行遠程飛行的現實可能性。太陽光光子受到太陽帆鏡面的反射，像風一樣推動航天船向前移動。薩馬拉大學飛行動態和控制系統系教授奧莉加·斯塔裡諾娃向俄羅斯衛星通訊社和廣播電臺介紹說，主要複雜之處在於光壓非常小，為了獲得明顯的作用，需要巨大的太陽帆面積。在此情況下，航天船的質量應該儘量小，但展開必要尺寸的太陽帆非常難。
  • SpaceX 下周將發射光帆二號 「太陽帆」
    IT之家6月21日消息 據國外媒體報導，下周SpaceX公司的獵鷹重型火箭將執行第三次發射任務，而這枚火箭發射的太空飛行器中包括一個巨型太陽帆，這一太陽帆被命名為「光帆二號」。光帆二號的製造者是空間倡導組織「行星協會」，光帆二號將利用太陽光照提供動力在太空中飛行。
  • 光子撞擊提供推力,最大速度24萬千米/小時,太陽帆如何工作
    如今，航天發射時超過90%的質量由燃料牢牢佔據，如果我們能減少對這麼多燃料和儲存燃料的燃料箱的需求，深空探測就不再是昂貴的夢想。國際太空機構和一些私人公司已經提出了許多運輸方法，讓我們可以走得更遠，走得更快。這些太空運輸方案中最現實的一個就是用太陽帆取代火箭燃料和火箭發動機。
  • 俄專家正在研發可快速抵達遙遠太空的太陽帆飛船
    人民網訊 據俄羅斯衛星通訊社10月21日報導，俄羅斯薩馬拉大學新聞中心發布消息稱，薩馬拉專家正在研究能夠超越最快探測器並抵達遙遠太空的太陽帆飛船。研究參與者、國際宇航科學院院士、紐約市立大學理論物理研究中心主任羅曼·克澤拉什維利(Roman Kezerashvili)教授表示，新太陽帆飛船與以往不同，將採用圓形充氣結構，在無需增加推進器的情況下也可噴射加速。「我們的裝置就像一個『麵包圈』，中間部分被薄板封住。
  • 什麼是太陽帆,太空太陽能電站給人類會帶來哪些好處!
    什麼是太陽帆，太空太陽能電站給人類會帶來哪些好處！今天已經升空的人造天體如此改變了地球的面貌,給人類帶來了巨大的科技和經濟效益,那麼科學家正在研製試驗中未來才能升空的其他人造天體,就必將進一步改變地球的面貌,給人類帶來更大的科技和經濟效益。這些研製中的未來新型人造天體,其中之一便是已經試驗升空的太陽帆。
  • 耗資400萬美元打造 太陽帆飛船今日首航(圖)
    太陽帆技術剛剛起步　　「行星學會」的執行總裁羅裡斯·弗裡德曼博士表示，日本曾實驗過亞軌道飛行的太陽帆，而俄羅斯也在「和平」號國際空間站附近展開過太陽帆，但這兩個國家的太陽帆都不能進行可控飛行。　　「行星學會」的執行總裁羅裡斯·弗裡德曼博士稱：「將太陽帆送入軌道並成功展開，將具有裡程碑般的意義。
  • 人類又將一顆太陽帆衛星送上太空,它的意義是什麼?
    它的創始人 Carl Sagan 希望找到一種低成本的太空探索方案，而「太陽帆」則被認為是一種可行的設計。另一個有類似構想的是霍金，他生前曾聯合以色列投資人 Yuri Milner 提出了「Breakthrough Starshot」計劃，同樣希望靠無數個小型光帆船來完成遠距離的太空任務。
  • 想要最快的太陽帆?那就先把它扔到太陽去吧!
    這類概念目前還面臨著技術和工程實現方面的許多挑戰。不過來自馬克斯-普朗克天文研究所(MPIA)的Coryn Bailer-Jones在其近期主導的一項研究中表示，「sun diver」光帆將通過飛向太陽來獲取需要的全部飛行速度。近期，這項名為「sun diver：太陽帆和奧博特效應的結合」的研究，刊登在美國物理雜誌上。
  • 光壓理論基礎
    當物體完全吸收正入射的光輻射時，光壓等於光波的能量密度；若物體是完全反射體，則光壓等於光波能量密度的2倍。這個關係可以由經典電磁理論得到，也可以直接由光的量子理論得到。麥克斯韋依據經典電磁理論首先指出了光壓的存在。1899年，俄國物理學家列別捷夫用實驗測得了光壓，證實了麥克斯韋的預言。
  • 神奇的光壓 - 從獲諾貝爾物理獎的光學鑷子到太空旅行都靠它
    光的壓力能產生作用嗎？這就是「太陽帆」的技術背景。在長途太空旅行中，一個最大的問題是能源的供應。現在的辦法是讓飛船起飛時就攜帶化學燃料，這只能支撐短時間的飛行，當飛船需要跨越太陽系飛向更遠距離時，自帶燃料的做法顯然行不通。
  • 2018太陽帆幼小銜接班(學前班)春季火熱招生中!!!
    從太陽帆幼小銜接班畢業的往期學生，經考核，其語言、數學、拼音等成績遠遠    優於周邊幼兒園大班及其他早教機構。良好的智力開發，使太陽帆的孩子在小學的起    跑線上真正領先一步，奠定堅實的學習基礎同時，也大大的樹立了他們自信心。
  • 從光壓到光鑷
    1997年，因「用雷射冷卻和囚禁原子的方法」，朱棣文、科恩-塔諾季（C. Cohen-Tannoudji）和菲利普斯（W. D. Phillips） 獲得諾貝爾物理學獎。自學生時代起，阿什金就對光壓感興趣，雷射發明之後，就開始用雷射研究光壓。光壓又叫輻射壓（單位面積上的壓力），或者說光力，也就是光照射到物體上時施於物體的力。
  • 既然光達到了光速,是不是意味著光的質量無窮大?
    因為光子的質量太小了，因此光壓也非常小，在地球軌道附近的太陽光僅僅只能產生10^-6N/M^2！如果要達到足夠的推力，這個迎光面積是要非常大的！我們甚至可以計算下，要產生1公斤推力的話需要多大面積的太陽帆：1公斤=9.8N 那麼計算如下：S=9.8N/10^-6N=9800000平方米的太陽帆，S=9800000平方米需要長寬各為3.1KM的太陽帆！！
  • 利用太陽風質子驅動 「電動帆」宇宙飛船推進技術開始測試
    【每日科技網】　　美國國家航空航天局(NASA)日前開始對具有革新性的「電動帆」宇宙飛船推進系統方案進行測試。這種推進系統可利用太陽風使飛船以前所未有的速度進行星際航行，並能降低其對燃料的依賴。