电磁场实验记录 · 光的动量

光压实验台

同一束电磁波照到不同表面,能量流相同,动量改变却可能不同。

先别计算:谁受到的压力更大?

同样强度的平面波垂直照射面积相同的完全吸收面和理想镜面反射面。

光束宽度仅示意入射强度变化 θ 是传播方向与表面法线的夹角

改变实验条件

10² W/m²10⁸ W/m²
0.01 m²1.00 m²
0° 正入射80° 掠入射

角度从表面法线量起,不是从表面量起。

法向辐射压力 pn
表面所受法向力 Fn
表面截获功率 P

斜入射为什么多出 cos²θ?

P截获 = IA cosθ
pn, 吸收 = (I/c) cos²θ
pn, 反射 = (2I/c) cos²θ

一个 cosθ 来自面积 A 对光束的投影;另一个 cosθ 来自动量在表面法线方向的分量。法向力满足 Fn = pnA。

能量流怎样变成压力?

能量通量 I→动量通量 I/c→单位面积受力

电磁辐射携带能量,也携带动量。对单个光子,E = pc,即 p = E/c。吸收让法向动量变为零;镜面反射让法向动量反向,所以同样条件下动量变化量加倍,压力也加倍。

光压通常很小:即使 I = 105 W/m²,正入射完全吸收面的压力也只有约 0.33 mPa。