真?zhèn)巍肮鈮猴L(fēng)車(chē)”之辨析

胡 濱 陳 杰

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)館 北京 100012）

潘 瑋 薛 海

（北京櫻寧儀器設(shè)備研究所 北京 100085）

1 引言

“光壓風(fēng)車(chē)”（圖1）在全國(guó)范圍內(nèi)的科技館或科普大篷車(chē)?yán)锸且环N很常見(jiàn)的展品，廣受觀眾的喜愛(ài)和好評(píng)；展品不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉而且十分耐用.隨著“光壓風(fēng)車(chē)”展品影響的不斷擴(kuò)大，許多中學(xué)在物理教學(xué)中也采用此展品作為教學(xué)器具，用于演示光的粒子性.更有有人瞄準(zhǔn)商機(jī)，把它做成了科普商品.總之，目前所能見(jiàn)到的“光壓風(fēng)車(chē)”展品在外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)生的現(xiàn)象上幾乎一模一樣.但是，就是這樣一個(gè)日趨成熟、影響頗深的展品對(duì)廣大觀眾產(chǎn)生的效果卻是一種誤導(dǎo).實(shí)際上，這種“光壓風(fēng)車(chē)”的本質(zhì)不是真正的光壓產(chǎn)生動(dòng)力使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，而是一個(gè)“克魯克斯輻射計(jì)”.

圖1 克魯克斯輻射計(jì)

中國(guó)科技館新館在內(nèi)容建設(shè)過(guò)程中，一直致力于光壓演示展品的研究和開(kāi)發(fā).目前新館展出的名為“太陽(yáng)帆”的展品成功實(shí)現(xiàn)了真正的展示光壓現(xiàn)象，這是科普界第一次以互動(dòng)展品的形式展示真正的“光壓風(fēng)車(chē)”，而不是“克魯克斯輻射計(jì)”.人們很容易把這兩者混淆，現(xiàn)對(duì)兩者進(jìn)行辨析，以正視聽(tīng).

2 什么是光壓

既然叫“光壓風(fēng)車(chē)”，顧名思義先要明確什么是光壓.光對(duì)被照射物體單位面積上所施加的壓力叫做光壓，也稱(chēng)為輻射壓強(qiáng).經(jīng)典電磁理論和量子理論都指出，當(dāng)物體完全吸收正入射的光輻射時(shí)，光壓等于光波的能量密度；若物體是完全反射體，則光壓等于光波能量密度的2倍.麥克斯韋依據(jù)經(jīng)典電磁理論首先指出了光壓的存在.光壓的存在說(shuō)明了電磁波具有動(dòng)量，因而是電磁場(chǎng)物質(zhì)性的有力證明.愛(ài)因斯坦光子假設(shè)又進(jìn)一步說(shuō)明了光壓存在的合理性.

按照光子說(shuō)的觀點(diǎn)，光壓是光子把它的動(dòng)量傳遞給物體的結(jié)果.設(shè)頻率為ν的單色光，每秒垂直入射到物體表面每平方米上的能量為E，則每秒垂直入射到物體表面每平方米上的光子數(shù)為.因?yàn)槊恳粋€(gè)光子具有動(dòng)量當(dāng)光子被物體所吸收時(shí)，每個(gè)光子傳遞給物體的動(dòng)量為如果入射光子全部被物體所吸收，則物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動(dòng)量應(yīng)等于.物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動(dòng)量，即光作用在這個(gè)面上的光壓為.當(dāng)光子被物體所反射時(shí)，光子的動(dòng)量則每個(gè)光子傳遞給物體的動(dòng)量為如果入射光子全部被物體反射，則作用在物體表面上的光壓為

關(guān)于光有壓力的探索最早可以追溯到17世紀(jì)，1619年開(kāi)普勒猜測(cè)彗星的尾巴之所以背向太陽(yáng)，是因?yàn)榇嬖谝环N“太陽(yáng)風(fēng)”將其吹開(kāi).現(xiàn)在知道導(dǎo)致彗尾背向太陽(yáng)的原因主要是陽(yáng)光的壓力.所以開(kāi)普勒的猜想可以作為第一個(gè)牽涉到光壓領(lǐng)域的論述.后來(lái)牛頓主張的光微粒說(shuō)則很自然地也引進(jìn)了光壓的概念，但隨著“光是一種電磁波”概念的普及，光壓也就失去了生存的空間.即使如此，仍舊有眾多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家試圖以實(shí)驗(yàn)證明光具有壓力.

為了證實(shí)光壓的存在，不少物理學(xué)工作者都撲到這項(xiàng)科學(xué)研究上來(lái).1901年，俄國(guó)物理學(xué)家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫（Peter Nikolaievich Lebedev，l866～1911）設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)光壓，并發(fā)表了《光壓的實(shí)驗(yàn)研究》，證明了光的粒子性.繼此之后，美國(guó)物理學(xué)家尼科爾斯（E.F.Nichols）和哈爾（G.F.Hull）也分別用精密實(shí)驗(yàn)測(cè)定了光的壓力.

3 展品現(xiàn)象與原理的辨析

明確光壓的概念和定義之后，我們就要對(duì)這兩種“光壓風(fēng)車(chē)”展品進(jìn)行現(xiàn)象與原理的辨析，以使真相浮出水面.首先，兩者的組成結(jié)構(gòu)相似，都是由一個(gè)球泡和一個(gè)光源發(fā)射器組成.表面上看好像差不多，但是實(shí)際上差異很大.先從結(jié)構(gòu)上做一個(gè)對(duì)比，如表1.

表1 結(jié)構(gòu)對(duì)比表

克魯克斯輻射計(jì)是英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家克魯克斯（William Crookes）于1875年發(fā)明的.它是一個(gè)裝在抽為半真空的玻璃容器中的位于針尖上的葉輪.每個(gè)葉片的同一面被涂黑，另一面為亮白色.在有陽(yáng)光或其他輻射的情況下，葉片即開(kāi)始穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)時(shí)克魯克斯誤認(rèn)為造成葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是光壓，然而，實(shí)際上只是分子動(dòng)理論的一個(gè)證據(jù).

其實(shí)，克魯克斯輻射計(jì)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的原理是氣體壓強(qiáng)差.把克魯克斯輻射計(jì)放在燈光下，葉輪就開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng).葉輪總是按葉片黑的一面向白的一面轉(zhuǎn)，而不可能相反.其解釋是由于吸收了熱輻射，葉片黑色一面溫度較白色一面高.由于葉片對(duì)其表面附近的氣體分子（因?yàn)椴Ａ萜髦羞€殘存有氣體）加熱，使黑色表面附近的氣體溫度比白色表面附近的氣體溫度高，因此，玻璃容器中的殘存氣體對(duì)黑面的壓強(qiáng)比對(duì)白面的壓強(qiáng)較大，這個(gè)壓強(qiáng)差就使克魯克斯輻射計(jì)的葉片黑的一面向白的一面轉(zhuǎn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)證明，繼續(xù)提高抽真空度，導(dǎo)致黑白兩面的氣體壓強(qiáng)差太小，所以到一定程度葉片也不會(huì)再轉(zhuǎn)了.當(dāng)然，由于分子的這種碰撞力很小，所以如果不抽真空，由于阻力較大，也將看不到葉輪旋轉(zhuǎn).迄今為止，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室和科普界的一些人士還把該實(shí)驗(yàn)作為演示光壓的實(shí)驗(yàn).所以才造成目前把“克魯克斯輻射計(jì)”當(dāng)作“光壓風(fēng)車(chē)”盛行的局面.在通常情況下，光壓極小而且難以觀測(cè)，歷史上第一次在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)光壓的列別捷夫?qū)嶒?yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法相當(dāng)復(fù)雜和精細(xì).現(xiàn)介紹的真正的“光壓風(fēng)車(chē)”展品不是力圖還原當(dāng)年列別捷夫的實(shí)驗(yàn)，而是在于利用互動(dòng)展品的形式讓觀眾能夠看到真實(shí)的光壓演示.

光壓的測(cè)量是很困難的，因?yàn)樵谕ǔ５膶?shí)驗(yàn)條件下，光壓只有10－6～10－7N·m－2.而“輻射計(jì)效應(yīng)”是在測(cè)量光壓中發(fā)現(xiàn)的，其效應(yīng)可以比光壓大幾十萬(wàn)倍.在實(shí)驗(yàn)中，光壓與“輻射計(jì)效應(yīng)”同時(shí)出現(xiàn).因此，要真正演示出光壓，必須消除“輻射計(jì)效應(yīng)”.產(chǎn)生“輻射計(jì)效應(yīng)”的原因主要有兩個(gè)：

（1）在真空室中由于溫度不均勻而引起的剩余氣體的對(duì)流作用；

（2）光照射面與背光面的溫度差而引起的稀薄氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)壓力差.

那么，針對(duì)這些原因，我們對(duì)應(yīng)消除“輻射計(jì)效應(yīng)”的方法是：

（1）提高真空室中的真空度以減小對(duì)流作用，直到對(duì)流作用可以忽略不計(jì)；

（2）吸光板與反光板做得愈薄愈好，以使其兩面的溫度差減小.

圖2 正在抽真空的光壓風(fēng)輪

經(jīng)過(guò)這些認(rèn)真研究和思考之后，我們?cè)谥谱髡嬲摹肮鈮猴L(fēng)車(chē)”展品的時(shí)候，攻克了“微小阻力針尖”、“云母鍍膜”以及“抽高真空度”（圖2）等一系列技術(shù)難題.為了適應(yīng)科技館展品要求，這臺(tái)展品采用調(diào)制電路自動(dòng)調(diào)節(jié)固體激光器的功率，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)之后功率自動(dòng)減少，既可以節(jié)能又可以保護(hù)參觀者的眼睛.此展品由觀眾按動(dòng)電鈕，使激光器發(fā)射激光作用于葉片上，葉片受光壓的作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而直接觀察光壓的存在.在一般情況下，當(dāng)物體表面的反射系數(shù)為ρ時(shí)，則在每秒內(nèi)入射的全部N個(gè)光子中，有（1－ρ）N個(gè)被吸收而ρN個(gè)被反射，所以作用于物體表面上的光壓為

圖3 激光器發(fā)出的激光光壓打動(dòng)光壓風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)

真正的“光壓風(fēng)車(chē)”容器內(nèi)真空度很高，氣體分子幾乎不存在，氣體壓強(qiáng)差對(duì)葉片的作用也幾乎不存在.當(dāng)激光照射到葉片上時(shí)，打在葉片黑色面的光子幾乎被完全吸收，光子的動(dòng)量p減為零.而打在葉片白色面的光子幾乎原速率反彈回去，光子的動(dòng)量p變?yōu)椋璸.由于打在葉片白色面的光子動(dòng)量大于黑面，即光子對(duì)葉片白面的光壓大于黑面，其綜合效果就是葉片白面推著黑面旋轉(zhuǎn).這里葉片的旋轉(zhuǎn)機(jī)理是光壓（圖3），故取名“光壓風(fēng)車(chē)”，也是真正的光壓演示設(shè)備.必須指出，葉片受光壓的作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與克魯斯克輻射計(jì)的轉(zhuǎn)向完全相反.

經(jīng)過(guò)以上剖析，把兩種展品的現(xiàn)象與原理做一個(gè)對(duì)比（表2），可一目了然 ：這兩者是截然不同的展品，表達(dá)的也是相差甚遠(yuǎn)的科學(xué)概念.

表2 兩種展品的現(xiàn)象與原理對(duì)比

4 結(jié)論

（1）光壓的存在是麥克斯韋電磁波理論的推論之一，而光的粒子理論也能對(duì)光壓有圓滿(mǎn)的定量解釋.通過(guò)光壓風(fēng)車(chē)，說(shuō)明了光的粒子性，讓觀眾直接觀察光壓的存在.因此，光壓演示展品將有助于觀眾深刻理解光的波粒二象性.

（2）光壓與“輻射計(jì)效應(yīng)”同時(shí)出現(xiàn)，在制作“光壓風(fēng)車(chē)”展品的時(shí)候要著重考慮如何消除“輻射計(jì)效應(yīng)”，使展品真正表達(dá)的是光壓的科學(xué)概念.

（3）通過(guò)真?zhèn)巍肮鈮猴L(fēng)車(chē)”的辨析，讓科普工作者意識(shí)到科普展品應(yīng)該更加嚴(yán)謹(jǐn)，在傳播科學(xué)知識(shí)的同時(shí)應(yīng)該把科學(xué)概念界定得很清晰，以免觀眾受其誤導(dǎo).

1 母國(guó)光，戰(zhàn)元令.光學(xué).北京：人民教育出版社，1978

2 ?！·蘭斯別爾格著.楊霞蓀，張之翔譯.光學(xué).北京：人民教育出版社，1957

3 王瑞敏.光壓效應(yīng)及其應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識(shí)，2002

4 頡廷祿.真空中“輻射計(jì)效應(yīng)”形成原因及消除辦法.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，18（3）

5 鄭華熾.П·Н·列捷夫的光壓實(shí)驗(yàn).物理，1956

6 施堅(jiān).“光壓”及其應(yīng)用.科學(xué)大眾，2009

7 鄭好望，肖勝利，梁紅軍.光壓與光壓推進(jìn).現(xiàn)代物理知識(shí)，2006

8 列別捷夫.關(guān)于光的壓力的研究.物理年報(bào)，1901（6）：433～458

9 列別捷夫.在氣體上光的壓力.物理年報(bào)，1910（32）：411～437

10 姜錦龍，任偉德.克魯克斯輻射計(jì)及其應(yīng)用.教學(xué)儀器與試驗(yàn)，2007