光的力学效应实验

张 羽,侯国华,刘志海,杨 军,苑立波

(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001)

光的力学效应实验

张 羽,侯国华,刘志海,杨 军,苑立波

(哈尔滨工程大学理学院,黑龙江哈尔滨150001)

当光辐射到物体上,由于动量的传递,光对被辐射物体施加力.采用光纤将激光束投射到水中的聚苯乙烯球上,已知光源功率及功率分布、微粒的平衡位置,可直接计算出微粒在当前物理环境下受到的光辐射压力.

光辐射压;光悬浮;力学效应

1 引 言

光纤技术在各种参量测量方面具有许多独特的优点[1-3],有广阔的发展前景.光的力学效应实验正是利用光纤的一些独特优点而设计的.因而,通过增设光的力学效应实验,将这一现代光学技术进行广泛的普及和渗透,不仅丰富了大学物理实验的教学内容,而且可以将学生所学的知识实现工程应用化,进一步调动学生学习大学物理的积极性,引导学生进入工程应用的前沿领域.

波动性和粒子性是光的2个基本属性.光的力学效应实验,无论是实验原理、实验内容,还是实验仪器、实验方法,都很符合大学物理实验的教学要求.光的力学效应实验,以光具有动量这一基本物理原理为出发点,以光与物质相互作用时产生的力学效应为核心,直观生动地展现出光的粒子性,使学生切实观察、感受到光的力学效应以及这种效应的巨大应用前景,加深对光的粒子性这一基本物理事实的认识.实验所包含的物理原理增强了学生对物理知识的感性认识,理论知识与基础实验相结合,不仅丰富了实验内容,而且培养了学生在实际操作方面的素质与技能,具有更深的意义.

2 光辐射压原理

2 . 1 光辐射压力

所谓光的辐射压,就是当光辐射到物体上时,由于动量的传递,光会对被辐射物体施加一定的压力.

光的辐射压可以从光的两大基本属性来加以定义.如果将光作为粒子来看待,那么光的辐射压是源于光子所具有的动量;如果将光作为波来看待,那么光的辐射压是指,用坡印亭矢量表示的电磁波与物体相互作用(包括反射、折射、吸收、散射、衍射)而产生的动量变化.

下面由以上理论,推导光的辐射压公式.

光子的能量E和动量p为

其中h=6.626×10-34J·s为普朗克常量为频率,k为波矢.

此外,麦克斯韦指出光的辐射压与电磁波的能量密度相等,采用坡印亭矢量S可表示为

这是垂直入射的光束作用在完全吸收面上的压力.对时间取平均得到辐射压为

其中,I为光强度.

光的辐射压施加给实际物体上的力F用入射光的功率P和作用力效率Q表示为其中,n1为周围介质的折射率,c为光速,P为光功率.

功率为P的光在折射率为n1的介质中单位时间内的动量为n1P/c,因此式(5)中的Q值是入射光具有的单位时间的动量与作用在物体上的力的比值,为无量纲常量,取值为0～2.该Q值依赖于光学条件(激光器聚光角、波长、光斑尺寸、偏振光、光束分布图等)、微小物体条件(尺寸、形状、折射率)和环境条件(水、空气)等.

由于光的辐射压的存在,处于激光束中的微小物体一般会沿着光的传播方向运动.根据上面的论述,可以估算出,当太阳垂直入射时,地球表面的光压约为0.5×10-5N/m2.该辐射压与日常经验的力相比较是很小的,根本感觉不到它的存在.直到20世纪60年代,激光的出现使得对光辐射压力进行研究成为可能[4-7].

2.2 系统原理

本实验利用光纤将激光束投射到水中的聚苯乙烯球上,聚苯乙烯球所受的力如图1所示.调节激光器的光功率使得辐射压力与重力平衡,实现微粒的光悬浮,测量光的辐射压力与光功率之间的关系.

图1 实验原理图

沿z轴传播的基模高斯光束[8]可表达为

实验班开展的最终目的是培养具有创新创业能力的优秀人才，各地方高校也应结合自身学校教育资源和专业特色，研发具有本校办学特点的教学课程，而不是盲目模仿，在实验班教学资源质量的把控上，可采取校、院、系三层的管理体制，其中涵盖了对教学计划质量管理、教学运行过程中的质量管理、教师教学质量管理和学生学习质量管理等多个方面。从而能够让实验班能够真正成为学校改革创新的驱动力，合理配置教育资源，在保证全校教育的基础上，有针对性地对实验班配备更多具有创新创业精神的优秀教师。

由此可得光源功率与平衡位置z间的变化规律.

因此,在已知光源功率及功率分布、微粒的平衡位置的情况下,可直接计算出微粒在当前物理环境下所受到的光辐射压力.

3 实验与结果

实验仪器装置如图2所示.样品位移台与样品池放大图如图3所示.

图2 仪器装置图

图3 样品位移台与样品池示意图

实验过程如下:

1)打开激光源的电源,调节激光功率为10 mW;

2)用滴管向样品池内注入纯净水;

3)调节样品池位置及显微镜焦距,使光纤成像于视野中;

5)将聚苯乙烯球悬浮液滴于位移管中;

6)待聚苯乙烯球出现于视野中,调节位移管的位置,使1个微球恰好处于光纤出射光束中;

7)由于光的辐射压作用,处于光束中的聚苯乙烯球将悬浮于水中;

8)改变光功率大小,聚苯乙烯球悬浮于不同的位置,记录下光功率值及对应的位置;

9)描绘出入射光功率与平衡位置的关系曲线,计算出光的辐射压力.

图4为实验测得的入射光功率与微粒的平衡位置的关系曲线.

图4 入射光功率与平衡位置关系曲线

4 结束语

本文从开拓大学物理实验内容的角度出发,将光的力学效应实验引入到大学物理实验教学中.通过对大学物理实验内容的更新与拓展,突出了物理学原理——光的力学效应在技术应用方面,尤其是微观领域方面的应用,体现了物理实验教学课程的新技术特色.使学生对物理中的理论知识得到更深层次的理解,使学生的理论知识与实验技能相互补充、相互印证,达到感性认识与理性认识两个认识过程的互动,培养学生的综合能力与创造性.

[1] Leung A,Shankar P M,Mutharasan R.A review of fiber-optic biosensors[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2007,125(2):688-703.

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[8] 周炳琨.激光原理[M].北京:国防工业出版社, 1995:64-66.

Experiment of mechanical effects of light

ZHANG Yu,HOU Guo-hua,LIU Zhi-hai,YANGJun,YUAN Li-bo
(College of Science,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

When exposed to electromagnetic radiation,light pressure will be exerted upon the surface of an object because of momentum transfer.In this experiment,laser beams are projected on a polystyrene ball in water through optical fiber,the radiation pressure can be calculated directly when the power,power distribution,and equilibrium position of particles are given.

radiation pressure;light suspension;mechanical effect of light

O432

A

1005-4642(2010)10-0008-03

[责任编辑:任德香]

“第6届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2010-06-18;修改日期:2010-07-29

张 羽(1980-),女,吉林省吉林市人,哈尔滨工程大学理学院讲师,博士研究生,从事光纤生物传感技术研究.