108-指考-物理-題組-28-29
獲得 20182018 年諾貝爾物理學獎的科學家對雷射領域做出的重要貢獻,包括了光學鑷子在物理學上的應用,本大題將探討傳統鑷子與光學鑷子的原理。
1. ~傳統鑷子:
    ~~~~用兩邊長各為 LL、末端重合成 V\mathrm{V} 字形的鑷子,去夾半徑為 RR、質量為 mm 的玻璃小球。夾小球時,鑷子在鉛垂面上,若每邊對小球施力量值為 FF,恰可將小球夾起,鑷子與小球的接觸點,如圖10所示。試畫出小球所受各外力的力圖(需標示各外力的名稱),並計算出鑷子與小球之間的靜摩擦係數 μ\mu 至少為若干?設重力加速度為 gg
μ=\mu= image.png
2. ~光學鑷子:(應用高度聚焦的雷射光束來控制微小物體)
    ~~~~當雷射光穿透折射率比周圍介質還大的球形微粒(以下簡稱為微粒)時,雷射光束會折射偏向,代表光束中光子的動量發生了變化,由牛頓第三運動定律可知,光子可施力於微粒上。
    ~~~~當微粒的大小遠大於雷射光的波長時,可用幾何光學來解釋光學鑷子的原理。如圖11所示,若僅考慮通過會聚透鏡後的雷射光束中,行進方向交會於微粒球心 O\ce{O} 下方的 B\ce{B} 點之編號 1122 兩條光線,它們射入微粒後會發生偏折,再由微粒的上方射出時,則因光線被折射,光子會施於微粒一個作用方向向下的合力 F\overrightarrow{F},而將微粒向下推移。編號 1122 兩條光線射入微粒前後,光子的動量分別為 P1\overrightarrow{P_1}P1\overrightarrow{P_1^{\prime}}P2\overrightarrow{P_2}P2\overrightarrow{P_2^{\prime}}
    ~~~~如圖12所示,若改變兩條光線的入射方向使行進方向交會點在微粒球心 O\ce{O} 上方的 C\ce{C} 點,試參考圖11的動量表示方式,僅需考慮光的折射,畫出雷射光的光子路徑、雷射光的光子在射入微粒前後的動量 P3\overrightarrow{P_3}P3\overrightarrow{P_3^{\prime}}P4\overrightarrow{P_4}P4\overrightarrow{P_4^{\prime}} 並標示出動量變化 ΔP3\Delta \overrightarrow{P_3}ΔP4\Delta \overrightarrow{P_4}、以及微粒受光子合力 F\overrightarrow{F} 作用的方向。 image.png
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