真?zhèn)巍肮鈮猴L(fēng)車”之辨析

胡 濱 陳 杰

（中國科學(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”（圖1）在全國范圍內(nèi)的科技館或科普大篷車里是一種很常見的展品，廣受觀眾的喜愛和好評；展品不僅結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉而且十分耐用.隨著“光壓風(fēng)車”展品影響的不斷擴大，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.更有有人瞄準商機，把它做成了科普商品.總之，目前所能見到的“光壓風(fēng)車”展品在外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及產(chǎn)生的現(xiàn)象上幾乎一模一樣.但是，就是這樣一個日趨成熟、影響頗深的展品對廣大觀眾產(chǎn)生的效果卻是一種誤導(dǎo).實際上，這種“光壓風(fēng)車”的本質(zhì)不是真正的光壓產(chǎn)生動力使葉片轉(zhuǎn)動，而是一個“克魯克斯輻射計”.

圖1 克魯克斯輻射計

中國科技館新館在內(nèi)容建設(shè)過程中，一直致力于光壓演示展品的研究和開發(fā).目前新館展出的名為“太陽帆”的展品成功實現(xiàn)了真正的展示光壓現(xiàn)象，這是科普界第一次以互動展品的形式展示真正的“光壓風(fēng)車”，而不是“克魯克斯輻射計”.人們很容易把這兩者混淆，現(xiàn)對兩者進行辨析，以正視聽.

2 什么是光壓

既然叫“光壓風(fēng)車”，顧名思義先要明確什么是光壓.光對被照射物體單位面積上所施加的壓力叫做光壓，也稱為輻射壓強.經(jīng)典電磁理論和量子理論都指出，當物體完全吸收正入射的光輻射時，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.光壓的存在說明了電磁波具有動量，因而是電磁場物質(zhì)性的有力證明.愛因斯坦光子假設(shè)又進一步說明了光壓存在的合理性.

按照光子說的觀點，光壓是光子把它的動量傳遞給物體的結(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.因為每一個光子具有動量當光子被物體所吸收時，每個光子傳遞給物體的動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)所獲得的動量應(yīng)等于.物體表面每平方米在每秒內(nèi)所獲得的動量，即光作用在這個面上的光壓為.當光子被物體所反射時，光子的動量則每個光子傳遞給物體的動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，1619年開普勒猜測彗星的尾巴之所以背向太陽，是因為存在一種“太陽風(fēng)”將其吹開.現(xiàn)在知道導(dǎo)致彗尾背向太陽的原因主要是陽光的壓力.所以開普勒的猜想可以作為第一個牽涉到光壓領(lǐng)域的論述.后來牛頓主張的光微粒說則很自然地也引進了光壓的概念，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，仍舊有眾多實驗物理學(xué)家試圖以實驗證明光具有壓力.

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

3 展品現(xiàn)象與原理的辨析

明確光壓的概念和定義之后，我們就要對這兩種“光壓風(fēng)車”展品進行現(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，都是由一個球泡和一個光源發(fā)射器組成.表面上看好像差不多，但是實際上差異很大.先從結(jié)構(gòu)上做一個對比，如表1.

表1 結(jié)構(gòu)對比表

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

其實，克魯克斯輻射計葉片轉(zhuǎn)動的原理是氣體壓強差.把克魯克斯輻射計放在燈光下，葉輪就開始轉(zhuǎn)動.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.由于葉片對其表面附近的氣體分子（因為玻璃容器中還殘存有氣體）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黑面的壓強比對白面的壓強較大，這個壓強差就使克魯克斯輻射計的葉片黑的一面向白的一面轉(zhuǎn)動.實驗證明，繼續(xù)提高抽真空度，導(dǎo)致黑白兩面的氣體壓強差太小，所以到一定程度葉片也不會再轉(zhuǎn)了.當然，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)物理實驗室和科普界的一些人士還把該實驗作為演示光壓的實驗.所以才造成目前把“克魯克斯輻射計”當作“光壓風(fēng)車”盛行的局面.在通常情況下，光壓極小而且難以觀測，歷史上第一次在實驗室中發(fā)現(xiàn)光壓的列別捷夫?qū)嶒炑b置和實驗方法相當復(fù)雜和精細.現(xiàn)介紹的真正的“光壓風(fēng)車”展品不是力圖還原當年列別捷夫的實驗，而是在于利用互動展品的形式讓觀眾能夠看到真實的光壓演示.

光壓的測量是很困難的，因為在通常的實驗條件下，光壓只有10－6～10－7N·m－2.而“輻射計效應(yīng)”是在測量光壓中發(fā)現(xiàn)的，其效應(yīng)可以比光壓大幾十萬倍.在實驗中，光壓與“輻射計效應(yīng)”同時出現(xiàn).因此，要真正演示出光壓，必須消除“輻射計效應(yīng)”.產(chǎn)生“輻射計效應(yīng)”的原因主要有兩個：

（1）在真空室中由于溫度不均勻而引起的剩余氣體的對流作用；

（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動壓力差.

那么，針對這些原因，我們對應(yīng)消除“輻射計效應(yīng)”的方法是：

（1）提高真空室中的真空度以減小對流作用，直到對流作用可以忽略不計；

（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)過這些認真研究和思考之后，我們在制作真正的“光壓風(fēng)車”展品的時候，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，這臺展品采用調(diào)制電路自動調(diào)節(jié)固體激光器的功率，當葉片轉(zhuǎn)動起來之后功率自動減少，既可以節(jié)能又可以保護參觀者的眼睛.此展品由觀眾按動電鈕，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，從而直接觀察光壓的存在.在一般情況下，當物體表面的反射系數(shù)為ρ時，則在每秒內(nèi)入射的全部N個光子中，有（1－ρ）N個被吸收而ρN個被反射，所以作用于物體表面上的光壓為

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

真正的“光壓風(fēng)車”容器內(nèi)真空度很高，氣體分子幾乎不存在，氣體壓強差對葉片的作用也幾乎不存在.當激光照射到葉片上時，打在葉片黑色面的光子幾乎被完全吸收，光子的動量p減為零.而打在葉片白色面的光子幾乎原速率反彈回去，光子的動量p變?yōu)椋璸.由于打在葉片白色面的光子動量大于黑面，即光子對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)機理是光壓（圖3），故取名“光壓風(fēng)車”，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，與克魯斯克輻射計的轉(zhuǎn)向完全相反.

經(jīng)過以上剖析，把兩種展品的現(xiàn)象與原理做一個對比（表2），可一目了然 ：這兩者是截然不同的展品，表達的也是相差甚遠的科學(xué)概念.

表2 兩種展品的現(xiàn)象與原理對比

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光壓有圓滿的定量解釋.通過光壓風(fēng)車，說明了光的粒子性，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“輻射計效應(yīng)”同時出現(xiàn)，在制作“光壓風(fēng)車”展品的時候要著重考慮如何消除“輻射計效應(yīng)”，使展品真正表達的是光壓的科學(xué)概念.

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

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

2 Γ·C·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，2002

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

5 鄭華熾.П·Н·列捷夫的光壓實驗.物理，1956

6 施堅.“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.現(xiàn)代物理知識，2006

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

9 列別捷夫.在氣體上光的壓力.物理年報，1910（32）：411～437

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