以微波爐為背景的綜合題賞析
2006-04-29 00:00:00卞志榮
物理教學探討 2006年19期
新的高中物理課程更加注重理論聯系實際，微波爐就是一個進行STS教學的好材料。現將以其為背景材料的有關習題歸類分析如下。
原理題
1.家用微波爐是利用微波的電磁能加熱食物的新型灶具，主要由磁控管、波導管、微波加熱器、爐門、直流電源、冷卻系統、控制系統、外殼等組成。接通電源后，220V交流電經過變壓器，一方面在次級產生3.4V交流電對磁控管加熱，同時在次級產生2000V高壓經整流加到磁控管的陰、陽兩極之間，使磁控管產生頻率為2450MHz的微波，微波輸送至金屬制成的加熱器（爐腔）被來回反射，微波的電磁作用使食物內分子高頻地振動而內外同時迅速變熱，并能最大限度地保存食物中的維生素，有下述說法正確的是（AD）
A微波是振蕩電路中自由電子運動而產生的
B微波是原子外層電子外層電子受到激發而產生的
C微波是原子內層電子受到激發而產生的
D微波爐變壓器的高壓變壓比為11∶100
使用常識題
2導體能反射微波，絕緣體可使微波透射，而食物通常含有成分是蛋白質、水、脂肪，較易吸收微波能而轉換成熱能，故在使用微波爐時應（BD）
A用金屬容器盛放食物放入爐內加熱
B用陶瓷容器盛放食物放入爐內加熱
C將微波爐置于磁性材料周圍
D將微波爐遠離磁性材料周圍
3一臺總功率約為800W的微波爐每天正常工作半小時，則一年要耗電多少度？
析與解W=Pt=0.8×0.5×365kwh=146度。
光學題
4某微波爐微波輸出的功率為700W的磁控管每秒內產生的光子數為多少個？微波的波長為多少？
析與解設每秒產生的光子數為n，波長為λ，由能量關系得：
磁輻射安全題
5．家用微波爐的微波如果泄漏對人體有害，正常工作時微波爐的爐門對微波起著很好的反射和屏蔽作用，開門前務必先讓微波發生電路停止工作。為了方便微波爐的操作，需要設計一保護開關，它能在爐門被打開前自動斷電。為了防止微波大量泄漏，該開關必須保證在爐門被打開之前的一定時間內完成斷電動作，這一時間稱為保護開關動作的時間提前量Δt。假設微波在食品以及空氣中的速度都差不多，微波爐爐腔對角線長約為50cm，且微波束每次穿過爐中食品僅被吸收千分之一，若要求爐門打開時爐內微波強度至少應衰減到正常工作時的百萬分之一，請詁算保護開關動作的時間提前量Δt的數量級，并根據估算結果發表討論(lg0．999=-4．345×10-4)。
析與解要使微波強度減為正常工作時的百萬分之一，微波束需穿過食品n次，即(999／1000)n=1／106，兩邊同時取對數得：
因為微波是一種電磁波，據題意微波在空氣中和食品中的速度基本相等，也就大約等于真空中的光速，所以微波要衰減到要求值，必須經過
這就是保護開關動作的時間提前量Δt，其數量級為10-5s。
討論①光速實在太快了，所以所需時間提前量才這么小。②時間提前量只需這么小，看來保護開關不需要復雜的設計，很容易實現。
電磁學題
6．微波爐的核心部件是磁控管。如圖1所示是磁控管的示意圖，一群電子在垂直于管的某截面內做勻速圓周運動，在管內有平行于管軸線方向的勻強磁場，磁感應強度為B，在運動中這群電子時而接進電極1，時而接近電極2，從而使電極附近的電場強度發生周期性變化，設這一群電子在圓周上分布的范圍很小，可以看作集中在這一點，共有N個電子，每個電子的電荷量為e、質量為m，圓形軌道的直徑為D，電子群最靠近某一極時的距離為r，靜電力常量為k。求：
(1)管內一點電場強度變化的頻率。
(2)運動的電子群產生的電場在電極1附近的場強的最大值利最小值。
析與解(1)電子做圓周運動一周，某點電場強度就周期性地變化一次，因此，電場強度變化的頻率就等于這一群電子做圓周運動轉動的頻率。即f=Be/2πm
(2)電子轉到離心極1最近處，即距離為r時場強最大。Emax=kNe/r2
電子轉到離電極1最遠處，即距離為(r+D)時場強最小。Emin=kNe/(r+D)2
電學實驗題
7．微波爐電路中經變壓器產生的2000V高壓要經過整流變為直流后加到磁控管上，整流電路中重要元件是二極管，二極管是一種單向導電性半導體器件，它的正向電阻很小，反向電阻很大，為了能測量二極管的伏安特性，現設計如圖2所示電路。
(1)請將該電路中雙刀雙擲開關與電路其它部分畫線連好，以便既能測正向特性，又能測反向特性。
(2)某同學測得Uab和I的實驗數據見下表，試畫出二極管正向伏安特性曲線（可用鉛筆作圖）
析與解(1)電路圖連接如圖3所示。
(2)二極管正向伏安特性曲線如圖4所示。
研究性學習題
1．實驗探究：
①觀察自己家用微波爐的銘牌參數、功能及使用注意事項。
②給食物加熱時，食物是內部先熱還是外部先熱?
③微波爐爐腔內各處的加熱效果相同嗎?
④使用不同的器皿加熱效果相同嗎?
⑤給大小相同的不同食物加熱快慢相同嗎?
2．查閱資料：
①微波爐加熱與普通加熱有何不同?
②在未來的一段時間內，微波爐將會向什么方向發展?
限于篇幅，學生的研究成果只取一部分與大家交流：
①微波爐加熱與普通加熱的區別：
微波烹調的基礎是微波對介質加熱。根據物理理論可知，介質分子可分為有極分子和無極分子兩大類。有極分子的正、負電荷的中心不重合，其間有一段距離，可等效為一個電偶極子(如水)。在外電場的作用下，原來雜亂無章的有極分子會沿著外電場的方向轉向，產生轉向極化(無極分子的正、負電荷的中心沿電場方向只產生位移極化)。如果外電場是交變的，那么有極分子的轉向也要隨電場的變化而不斷改變方向。在這個過程中，由于分子間的相互碰撞，將使電能轉化為分子的動能，然后再轉化為內能，使物體的溫度升高。由此可見，對于有極分子組成的物體(如被烹調的食物)，交變電場就容易對它進行加熱。
微波加熱與通常的加熱方式不一樣。通常的加熱方式是要有一個高溫熱源，通過輻射來傳導，先使物體的表面加熱，然后由傳導和對流在物體內部逐漸向其縱深加熱，這樣加熱速度很慢。而微波爐加熱是用磁控管(在爐內頂部)產生微波，然后將微波照射到六面都由金屬制成的空箱(又稱諧振腔)中，管壁不吸收微波，只有箱中的容器和食物被加熱，因此效率高、速度快。由于加熱速度快，因此對食物營養的破壞很少(即保鮮度好)。由于微波烹調有加熱快、節能、不污染環境，保鮮度好等優點，因此微波爐在我國被廣泛推廣應用。
②不久的將來變頻微波爐將要替代目前常用微波爐。
因為變頻微波爐是以變頻器替代了傳統微波爐內的變壓器，變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成為20000~45000Hz的高頻率，通過改變頻率來得到不同的輸出功率，解決了傳統微波爐通過對恒定輸出功率反復開／關進行火力調控而使食物加熱不均勻的弊端，實現了真正意義上的均勻火力調控，經烹調的食物不僅口感好，而且營養保存更多。除此以外，與傳統微波爐相比，變頻微波爐還具有機身輕巧、噪聲小、烹調速度快、用電省等特點。
雖然微波爐的使用已深入普通百姓人家，但據調查還有不少高中學生不會使用或不敢使用它。可見加強微波爐知識的滲透教學很有必要。這些題目既向學生介紹了微波爐的原理和使用常識，又以微波爐為背景傳授了本學科內主干知識，涉及到微波的傳播和反射、光子說、二極管的單向導電性、有關電路連接、伏安特性曲線、變壓器、電路設計等等以及應用數學知識解決物理問題的跨學科綜合能力。以微波爐為研究性學習材料，讓他們親自動手操作，由不敢使用到會使用，提高了他們學習物理的興趣和生活自理能力，增強了學生的安全、環保、節約等意識；通過研究性學習，有意識培養他們動腦、動手和實驗探究能力，查閱資料獲取信息的能力，這是現代教育和新課程所倡導的，同時把知識和能力融合到一個新情境問題中進行考查也是高考命題的熱點和趨勢。
(欄目編輯 陳潔)
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