Question

【題目】2018年諾貝爾物理學獎授于了阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）等三位科學家，以表彰他們在激光領域的杰出成就。阿瑟·阿什金發明了光學鑷子（如圖），能用激光束“夾起”粒子、原子、分子；還能夾起病毒、細菌及其他活細胞，開啟了激光在新領域應用的大門。

①為了簡化問題，將激光束看作是粒子流，其中的粒子以相同的動量沿光傳播方向運動。激光照射到物體上，會對物體產生力的作用，光鑷效應就是一個實例。

現有一透明介質小球，處于非均勻的激光束中（越靠近光束中心光強越強）。小球的折射率大于周圍介質的折射率。兩束相互平行且強度①＞②的激光束，穿過介質小球射出時的光路如圖所示。若不考慮光的反射和吸收，請分析說明兩光束因折射對小球產生的合力的方向。

②根據上問光束對小球產生的合力特點，試分析激光束如何“夾起”粒子的？

Answer 1

【答案】見解析；

【解析】

解：①由動量定理可知：△v的方向即為小球對光束作用力的方向

當強度①＞②強度相同時，作用力F1＞F2，由平行四邊形定則知，①和②光速受力合力方向向左偏下，則由牛頓第三定律可知，兩光束因折射對小球產生的合力的方向向右偏上，如圖所示

②如圖所示，小球受到的合力向右偏上，此力的橫向的分力Fy，會將小球推向光束中心；一旦小球偏離光速中心，就會受到指向中心的分力，實現光束對小球的約束，如同鑷子一樣，“夾住”小球其它粒子