光能辐射计的工作原理及其物理意义简析

作者：彭晓韬

日期：2022.07.21

[文章摘要]：光能辐射计又称作克鲁克斯辐射计，可用于测量光照和辐射强度。目前对其的工作原理有较一致的共识：照射光使表面黑色的叶片面温度升高较白色面快并加热其附近的气态物质，气态物质的运动对叶片表面施加了推力而导致风车由黑色表面向白色表面方向转动。但对其在真空度较高的情况下不能正常工作的物理意义重视的很不够。本文重点对此进行一些探讨。

一、光能辐射计及工作原理简介

1、光能辐射计简介

克鲁克斯辐射计是1875年由英国著名物理学家克鲁克斯发明的，用来检测光和热辐射。它的构造如上图一所示：克鲁克斯辐射计是由手工吹制的水晶玻璃而成的，也被称为光风车。从一个密封的玻璃球壳内，它包含了真空的一部分，在玻璃体内装有一个由上下两个玻璃凹坑作为轴承的直立轴，轴的上部相隔90度有四个与主轴平行的金属片作成的叶片，通过细钢丝与主轴垂直相连，金属片的两侧面分别为白色和黑色。当有足够强的阳光或强钨丝灯光照射到叶片上时，叶片就开始绕直立轴转动。辐射越强、转速越快，在光源恒定的情况下，需要数十秒钟才能达到可能的最高速度。

2、光能辐射计工作原理简介

按照辐射理论，黑面吸收热和光的辐射，白面反射热和光辐射，由于叶片对其表面附近的气体分子（因为玻璃窗口中还残存有气体）加热，使黑色表面附近的气体温度较高，因此分子运动速度较大。由于气体分子运动时对黑色叶片表面的反作用力比白色一面大。因此使叶片旋转，并且旋转方向必定是黑色一面向白色一面转。

因此，当黑面和白面的方向选定后（出厂时已经确定），当它受强光照射时必定顺时针转动（自上而下俯视），而绝不可能逆时针转动。当不再接受辐射热而逐渐冷却时，叶片则反向旋转，用冰水浇淋，观察辐射计叶片转动的方向是反向的。

以上内容摘自[信义玻璃工程（东莞）有限公司}网上介绍页面。

3、光能辐射计内部真空状态时的异常现象

玻璃泡内的真空程度是辐射计能否正常工作的关键。如果泡内不是真空（也就是说里面充满了空气），叶片会由于阻力过大而无法转动。如果泡内接近完全真空，叶片也不会旋转（除非叶片是以无摩擦方式固定的）。如果支持叶片的装置之间没有摩擦力，而玻璃泡内又为完全真空，则从叶片的银色面弹出的光子会推动叶片转动。但这一推力仍非常微弱。[摘自百度知道赛先生赛先生文章]

二、光能辐射计存在的异常现象的原因分析

光能辐射计的工况对其内部的真空度依赖十分明显：真空度过低或过高都不能正常工作。这一异常现象的原因与其工作原理密切相关。

当真空度过低时，空气对风车叶片旋转的阻力会较大，黑色面与白色面的温差导致的被加热气体施加在各自表面上的反作用力差值小于空气阻力时，风车自然就不能旋转了。

当真空度过高时，虽然叶片旋转没有了空气阻力或阻力很小，但叶片黑面与白面可加热附近的气体分子数量不足，其产生的反力差值自然也很小，因此而不能使风车旋转。

此一现象印证了光能辐射计的工作原因是依靠加热气态物质而获得反作用力的解释。

三、光能辐射计工况高度依赖真空度的物理意义

从上一节的叙述可知：真空度越高，光能辐射计可能越无法正常工作。这充分说明：光并不能直接对叶片施加力，也就直接证明了所谓的光具有光压、光具有与其频率成正比动能和动量的说法是不符合客观实际的。否则，当我们只用光照射四个对称叶片中一侧的一、二个叶片时，光就应该对此一、二个叶片施加作用力，风车就应该像水车一样，当单侧受力时就会旋转起来才对。

总之，光能辐射计不能在高真空度的情况下正常工作已充分证明：光本身是没有动能和动量的。所谓的光压、光子存在的真实性是不确定的，光帆成功的可能性也是渺茫的。