На космический парус площадью 4 м2 падает каждую секунду 7,7 · 1022 световых фотонов. Коэффициент отражения паруса 0,92. Частота света 7,1 · 1014 Гц. Определить давление фотонов на парус.
Ответы
Дано:
S = 4 м²
Δt = 1 с
N = 7,7*10²²
r = 0,92
v = 7,1*10^14 Гц
h = 6,63*10^(-34) Дж*с
c = 3*10^8 м/с
p - ?
Решение:
Давление фотонов найдём по формуле Максвелла:
p = (1 + r)*w, где w - объёмная плотность энергии света (или энергии того количества фотонов, которое находится в единице объёма).
w = hvn, где n - количество фотонов в 1 м³ световой энергии
Из термодинамики возьмём формулу для n (концентрации):
n = N/V
Объём V можно представить в виде цилиндра с основаниями площадью S и высотой H. Высота H будет равна расстоянию, которое фотоны пролетают со скоростью c за время Δt:
H = c*Δt, тогда V равен:
V = S*H = S*cΔt, значит концентрация фотонов равна:
n = N/V = N/(ScΔt), тогда объёмная плотность световой энергии равна:
w = hvn = hv*(N/(ScΔt)) = (hvN)/(ScΔt)
Подставляем это выражение в формулу давления света и находим значение:
p = (1 + r)*w = (1 + r)*(hvN)/(ScΔt) = (1 + 0,92)*(6,63*10^(-34)*7,1*10^14*7,7*10²²)/(4*3*10^8*1) = 1,92*(6,63*7,1*7,7*10²)/(4*3*1*10^8) = (1,92*6,63*7,1*7,7)/12 * (10²/10^8) = (1,92*6,63*7,1*7,7)/12 * 10^(-6) = 57,9939... * 10^(-6) = 58*10^(-6) Па = 58 мкПа
Ответ: примерно 58 мкПа.