高中拓展 · 光压与动量

没有燃料,光能推船吗?

局部测力和带太阳引力径向航行分开。把帆迎向太阳,再转到几乎侧对太阳。

问题的来处开普勒的设想 · 现代太阳帆

光帆启航:问题从哪里来?

太阳光压已在工程中利用。星际激光阵列和超轻光帆仍面临材料、热和指向问题,不能把本页低速太阳光压实验称为已实现星际高速航行。

读一段背景,带着问题动手

太阳光压已在工程中利用。星际激光阵列和超轻光帆仍面临材料、热和指向问题,不能把本页低速太阳光压实验称为已实现星际高速航行。

太阳光压已在工程中利用。星际激光阵列和超轻光帆仍面临材料、热和指向问题,不能把本页低速太阳光压实验称为已实现星际高速航行。 局部测力和带太阳引力径向航行分开。 全部吸收与全部反射,光压和热负荷分别怎样?

现在,换你来试局部台只改帆面积核验两组,再改变反射率;进入径向模式检查净加速度。

光帆启航

C05 / 时空与通信
今天的问题

推力方向和热负荷怎样一起变化?

独立探索要做什么?

局部台只改帆面积核验两组,再改变反射率;进入径向模式检查净加速度。

装置 · 尺寸示意,量值见读数看证据图 ↓
先看一次,再亲手试

从100到1 m²逐步改变帆面积;这是条件比较,不是物理时间。暂停后可亲手调整。

尚未开始;也可直接使用装置旁的参数控件。
太阳光压 · 光束k向右 · 倾斜帆的合力未必沿光束沿光束加速度9.080e-5 m/s²0中线 · 各量独立标定双面辐射平衡温度0 K0中线 · 各量独立标定均匀光束无引力速度增量7.8448 m/s0中线 · 各量独立标定反射比例 1 · 转角 0°

完全反射且无吸收时,改变发射率不改变温度;降低反射率再比较。速度增量不是太阳系轨迹。 图中量尺以0为中线,各量按默认值独立作非线性标定,长度不能跨量比较;精确数值与单位见读数。

金色:入射光青色:帆面紫箭头:光压合力
看这里 · 沿光束力9.080e-5 N

沿光束推力 9.080e-5 N,吸收功率 0 W。光压与热负荷要一起看;径向模式还需扣除太阳引力。

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

沿光束力
9.080e-5 N
横向力
0 N
沿光束加速度
9.080e-5 m/s²
吸收功率
0 W
双面辐射平衡温度
0 K
本地径向净加速度
-0.0058 m/s²
均匀光束无引力速度增量
7.8448 m/s

帆宽随面积平方根变化;力箭头为非线性放大示意。局部平面均匀光束,反射为镜面、未反射部分全部吸收;ε>0才定义热平衡。最后一项只适用于固定照度无引力实验,不是太阳系飞行预测。径向净加速度仅适用正对太阳且径向静止初值;不对应地球公转或0.2c航行。 完全反射且无吸收时,改变发射率不改变温度;降低反射率再比较。速度增量不是太阳系轨迹。

证据图 参考解随题设重算 · 不计个人完成

启用交互后显示带单位曲线。

换个条件,再想一步

全部吸收与全部反射,光压和热负荷分别怎样?

先预测,再观察。反例不会替你完成独立任务。

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。保存模型条件与单位;恢复后重算,不恢复任务完成资格。

先留一组,再改变一个条件。

从观察到解释

把证据带回纸上

展开关系与推导

光子传递动量,F=(SA cosθ/c)[(1−ρ)k+2ρcosθn]。吸收功率与双面热辐射平衡;径向轨迹另积分光压−太阳引力。

固定哪些量?改变哪个量?列出两组数值,写出关系,再说明一个不能套用的条件。实验支持猜想,一般证明需要理由。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

推力方向和热负荷怎样一起变化?

换个条件,再试一次

全部吸收与全部反射,光压和热负荷分别怎样?

看哪里?

旋转查看装置连接与相对位置。用装置旁滑块改变条件,二维、三维和读数来自同一状态;尺寸为示意。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

先认识光压与动量涉及的量与单位:研究模式(无量纲)、帆面积(m²)、总质量(kg)、镜面反射率(无量纲)、帆法向与光束夹角(°)、距太阳(AU)、双面发射率(无量纲)、恒定光束持续(天)。高中拓展为内容层次提示,未核对具体教材。

先看现象:把帆迎向太阳,再转到几乎侧对太阳。

再做定量:保持其他条件,比较帆面积与沿光束力(N),再对照下方关系。

模型、来源与核验边界

光子传递动量,F=(SA cosθ/c)[(1−ρ)k+2ρcosθn]。吸收功率与双面热辐射平衡;径向轨迹另积分光压−太阳引力。

对照核验提示:正面迎光:帆法线与光同向;转过60度:其他条件相同。按这些题设自己操作并比较沿光束力,不把参考情景当个人完成。

适用范围:帆宽随面积平方根变化;力箭头为非线性放大示意。局部平面均匀光束,反射为镜面、未反射部分全部吸收;ε>0才定义热平衡。最后一项只适用于固定照度无引力实验,不是太阳系飞行预测。径向净加速度仅适用正对太阳且径向静止初值;不对应地球公转或0.2c航行。 完全反射且无吸收时,改变发射率不改变温度;降低反射率再比较。速度增量不是太阳系轨迹。

Nature Materials · Starshot materials challenges(延伸阅读;链接和公式适用性尚需逐项外部复核) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。