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1 # 火星一號
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2 # 科學探秘頻道
這個問題腦洞真大,像極了腦筋急轉彎。在太空中開啟手電筒,手電筒在射出光子的同時,確實會受到光子對於手電筒的一個反作用力。只是這個力及其小,幾乎感應不到,對於手電筒產生的加速度也基本上可以忽略不計,所以一般情況下手電筒即便在太空中開啟,也不會運動。下面我們簡單計算一下手電筒開啟後受到光子的反作用力大小以及加速度大小:
光子的能量:E=hv,
光子的動量等於:p=hv/c。
根據動量守恆定律,手電筒會有一個與光子大小相反的動量。ts內手電筒釋放的光子數量為:n=wt/(hv),其中w是功率。
那麼ts內手電筒擁有的動量是:tnp=wt/c。
如此的話,可得手電筒t時刻的速度v=tnp/m=wt/(mc),其中m是手電筒質量。
假設手電筒功率是3瓦,質量是0.1kg,則開燈後手電筒t時具有的速度是:t*10^-6m/s。那麼手電筒開啟一天時速度為:8.6毫米/秒,一年後速度倒是挺快,可以達到:3.1米/秒,聽上去速度還可以了。
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3 # 星火e點點
真空中靜止的手電筒突然開啟,會不會動?這個問題讓我聯想到了科幻小說中宇宙飛船的工質發動機,它的工作原理是發動機向後噴射高速質子,利用反向衝量來加速飛船。
讓我們回到手電筒這個問題,要使真空中的手電筒運動,要向後噴射有質量的物質,來獲取動能。
而手電筒發出的光有沒有質量呢?我們在物理課上學過,光具有波粒二象性,當光表現為波時,手電筒不會動;為粒子時,可能會動。
假如處在太空中的手電筒不受任何外部引力的影響,那麼,在太空中開啟手電筒,它確實會被自身發出的光所推動。這是因為光子具有動量,既然如此,光子也會遵循動量守恆,離開手電筒的光子就會推著手電筒朝著反方向運動。
根據狹義相對論的能量-動量關係:
上式中,E表示物體的能量, m0表示物體的靜質量,p表示物體的動量,c表示光速。
對於光子,其靜質量為零。因此,再結合光子能量公式E=hν,可以推匯出光子的動量公式為:
p=E/c=hν/c
上式中,h表示普朗克常數,ν表示光子的頻率。
可以看到,光子的動量與光子的頻率成正比,光子的頻率越高,其動量也會越大。
假設手電筒的發光功率為W,那麼,手電筒每秒發射出的光子數量n為:
n=W·1s/E=W/(hν)
根據動量公式可知,手電筒發出的光在每秒的動量M變化就是作用力F的大小,即等於手電筒每秒產生的光子數量與每個光子的動量之積,所以可以得到如下的公式:
可以看到,光子產生的推力只取決於手電筒的功率,兩者呈正比例關係,手電筒的功率越高,光子所攜帶動量產生的推力也就越大。只不過這個推力非常小,因為光子的動量太小了。
一般手電筒的功率只有1瓦,對應所產生的推力只有3.33×10^-9牛。即便是功率能夠達到30瓦的強光手電筒,其光子所能產生的推力也僅為0.0000001(10^-7)牛。
雖然手電筒產生的推力很小,但理論上是能夠推動不受外力影響的手電筒前進。假設手電筒的重量為0.1千克,如果是功率為1瓦的手電筒,開啟一天,光子可以把手電筒的速度加速到2.9毫米/秒(v=Ft/m),微乎其微的速度。如果是功率為30瓦的強光手電筒工作一天,它能被光子加速到8.7釐米/秒。