趣味微波爐演示實(shí)驗(yàn)8則

■何桂明 湯彩紅 伍思健

本文介紹了用微波爐開展的8則趣味探究物理實(shí)驗(yàn)，目的是加深對電磁場與電磁波理論的認(rèn)識和理解。

微波是頻率為300 MHZ～300 GHZ的電磁波，主要用于無線電通信，如雷達(dá)、導(dǎo)航、遙感及傳送電話和電視信號等。近年來，應(yīng)用微波加熱原理制造的微波爐在生活中得到廣泛應(yīng)用，在國際上，家用微波爐有915 MHz和2450 MHz兩個頻率，2450 MHz用于家庭烹調(diào)，915 MHz用于工業(yè)的干燥與消毒等。家用微波爐加熱食物的原理比較復(fù)雜：微波爐的電控系統(tǒng)將220 V交流電通過高壓變壓器和高壓整流器，轉(zhuǎn)換成4000 V左右的直流電，送到微波發(fā)生器(也稱磁控管)產(chǎn)生微波，微波通過波導(dǎo)管傳入爐熱腔里。爐熱腔由金屬制成，微波不能穿過，只能在爐腔里反射，被食物吸收后引起食物內(nèi)極性分子(如水、脂肪、蛋白質(zhì)、糖等)以每秒24.5億次的極高頻率振動，引起分子相互摩擦生熱而烹熟食物。微波爐外殼用不銹鋼等金屬材料制成，阻擋微波從爐內(nèi)泄露， 避免對人體健康造成傷害。

微波爐不僅是家庭廚房的得力助手，利用它發(fā)出功率強(qiáng)大的微波，可以開展很多種有趣的物理實(shí)驗(yàn)，加深我們對電磁場與電磁波的認(rèn)識理解。

實(shí)驗(yàn)1：放進(jìn)微波爐里的手機(jī)

手機(jī)通話依靠無線電波傳遞信息，把手機(jī)放進(jìn)密閉的微波爐里面會怎樣？不少人認(rèn)為，微波爐能夠?qū)⑽⒉ǚ忾]在爐腔里面防止泄漏，外界的手機(jī)信號同樣也不能穿透微波爐被手機(jī)接收。

實(shí)驗(yàn)過程：把調(diào)音狀態(tài)的手機(jī)A放到微波爐里，關(guān)閉爐門。用另外一部手機(jī)B撥打呼叫A ,手機(jī)A發(fā)出清晰的鈴聲，表明無線信號可以穿透微波爐的金屬外殼。

實(shí)驗(yàn)說明：手機(jī)信號不同于波長極短的微波，它能夠穿透一定厚度的金屬，平時我們在密閉的電梯里面也能接收微弱的手機(jī)信號就是一個例證。若把手機(jī)放進(jìn)啟動的微波爐里面，它能接收微波信號嗎？這個實(shí)驗(yàn)最好用報(bào)廢的舊手機(jī)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，手機(jī)能夠接收微波爐發(fā)射出的電磁波，不過手機(jī)開始冒煙并發(fā)出火光。手機(jī)電池含有電解質(zhì)，在電磁場作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，某些情況下甚至發(fā)生危險(xiǎn)的爆炸。

實(shí)驗(yàn)2：蠟燭燃燒與球狀閃電

實(shí)驗(yàn)過程：把一根燃燒的蠟燭用倒扣的玻璃杯覆蓋，放入啟動的微波爐。玻璃杯頂端蠟燭火焰處出現(xiàn)強(qiáng)烈的放電，形成罕見的球狀閃電現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)說明：燃燒的蠟燭產(chǎn)生碳，在強(qiáng)大的電磁場作用下使空氣電離，產(chǎn)生氣體放電。換用燃燒的火柴等物體，也能得到類似現(xiàn)象。2006年，以色列兩位科學(xué)家應(yīng)用家庭微波爐，制造出可控的球形閃電，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在Physical Review Letters上。

實(shí)驗(yàn)3：水的過熱現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程：用開口玻璃杯裝滿水后放入微波爐長時間加熱，沒有冒氣泡現(xiàn)象。危險(xiǎn)警告：此時玻璃杯水處于極度危險(xiǎn)的過熱狀態(tài)，一旦用湯勺攪動水杯，或者將咖啡、糖等倒入杯中，杯中的水會突然沸騰，甚至玻璃杯發(fā)生爆裂。

實(shí)驗(yàn)說明：通常情況下，水燒開時內(nèi)部有大量氣泡形成，這些氣泡具有足夠大的半徑，當(dāng)氣泡中的蒸汽壓大于或等于液體的壓強(qiáng)，氣泡破裂使水面發(fā)生沸騰。微波爐加熱時水分子以每秒鐘幾十億次的頻率震蕩加熱，由于加熱升溫時間太短，水中的氣泡來不及膨脹增大，水溫達(dá)到沸點(diǎn)時表面不會出現(xiàn)氣泡破裂現(xiàn)象，這稱為過熱水。過熱水十分危險(xiǎn)，周圍環(huán)境發(fā)生一點(diǎn)變化，如壓力、溫度或震動使水瞬間劇烈沸騰而導(dǎo)致爆炸。

實(shí)驗(yàn)4：輝光球的絢爛弧光

實(shí)驗(yàn)過程：輝光球是一個密閉的玻璃球殼，腔體內(nèi)部被抽成真空并充滿氖氣、氦氣等惰性氣體，球心由金屬絲彎繞而成，構(gòu)成一個指向球面的尖端。通電后，底板的環(huán)氧樹脂基線路板將220 V交流電轉(zhuǎn)變成高頻脈沖交流電，電壓可達(dá)數(shù)千至一萬伏，球心產(chǎn)生尖端放電，形成各種顏色的弧光。

實(shí)驗(yàn)說明：把輝光球單獨(dú)放入啟動的微波爐里，金屬絲釋放的電子在強(qiáng)電場作用下加速撞擊腔體里的惰性氣體原子，原子電離成正離子和電子繼續(xù)撞擊其他氣體原子，在金屬尖端與球殼之間形成氣體放電現(xiàn)象，發(fā)出絢麗的弧光。

實(shí)驗(yàn)5：放進(jìn)微波爐的白熾燈泡

實(shí)驗(yàn)過程：在微波爐里放入一個白熾燈泡，啟動開關(guān)，燈泡發(fā)出明亮的白光。

實(shí)驗(yàn)說明：白熾燈發(fā)光原理是燈泡兩端加上額定電壓，電流通過鎢絲而發(fā)光發(fā)熱。燈泡內(nèi)部的燈絲處于高度真空，微波爐發(fā)射的電磁波使燈絲中的電子在強(qiáng)電場作用下，獲得巨大能量而發(fā)射至鎢絲表面，發(fā)光原理與電流通過鎢絲發(fā)光過程類似。長時間加熱白熾燈，電子與燈泡內(nèi)部少量殘余氣體作用，產(chǎn)生高溫等離子體，等離子體膨脹導(dǎo)致燈泡內(nèi)爆。

實(shí)驗(yàn)6：放進(jìn)微波爐里的日光燈

實(shí)驗(yàn)過程：把體積較小的日光燈或節(jié)能燈放進(jìn)啟動的微波爐里，觀察到日光燈管在發(fā)光。

實(shí)驗(yàn)說明：微波爐發(fā)射的電磁波激發(fā)日光燈兩端的燈絲電極發(fā)射大量電子，電子碰撞管內(nèi)惰性氣體分子電離，產(chǎn)生的熱量使水銀蒸氣也被電離并發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線，紫外線激發(fā)管壁內(nèi)的熒光粉發(fā)出白色的可見光。

實(shí)驗(yàn)7：CD光盤和錫紙放入微波爐

實(shí)驗(yàn)過程：CD光盤的主要材質(zhì)是聚碳酸酯(PC)，把CD光盤放入微波爐，光盤表面出現(xiàn)明亮的電火花，伴有噼里啪啦的爆裂聲。

實(shí)驗(yàn)說明：光盤表面涂有很薄的鋁反射層，微波照射到鋁涂層，在金屬表面形成渦流，發(fā)出大量的熱，產(chǎn)生電火花。把折疊的錫紙放入微波爐，錫紙?jiān)陔姶艌鲎饔孟庐a(chǎn)生的電流跳過空隙，也會產(chǎn)生電弧或火花。

實(shí)驗(yàn)8：用微波爐測量光速

世界著名的科普雜志《新科學(xué)家》刊載一篇利用微波爐測量光速的方法，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之精巧、實(shí)驗(yàn)結(jié)果之精確，令人嘆為觀止。

實(shí)驗(yàn)過程：選用一臺有旋轉(zhuǎn)托盤的微波爐，取出微波爐中的托盤，在另外一個托盤上平鋪一層棉花糖，最好用不同顏色交錯鋪開。把裝有棉花糖的盤子放入微波爐，用低檔加熱幾分鐘，直到棉花糖冒氣泡。取出裝棉花糖的盤子，發(fā)現(xiàn)有部分的棉花糖被熔化，這些熔化的棉花糖有一定圖案規(guī)則，熔化和沒熔化的棉花糖在某個方向上會交替出現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)說明：微波爐發(fā)出的微波在爐腔內(nèi)形成駐波，其原理是兩列頻率和振幅均相同、振動方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加時，合成波形成一種特殊的駐波。駐波的波峰穿過食物，通過激發(fā)水分子加熱。用直尺測量兩塊相鄰熔化的棉花糖之間的距離，大約在5～6厘米，這正是駐波兩個波峰的間距。由于事先取出旋轉(zhuǎn)托盤，棉花糖沒有在微波爐中旋轉(zhuǎn)，故沒有被均勻加熱，只是在駐波的波峰處被加熱，棉花糖的熔化展現(xiàn)駐波在微波爐中的分布情況。利用波速(c)＝頻率(f)×波長(L)，兩塊相鄰熔化棉花糖之間的距離是駐波波長的一半，即L/2。 如果測量距離是6厘米，微波爐的工作頻率是2450兆赫茲，計(jì)算出來的電磁波的速為：2450×1000 /秒×6厘米×2＝294000米/秒，與科學(xué)家測量出真空中的光速299792米/秒相比較，兩者非常接近。如果用一大塊巧克力做實(shí)驗(yàn)，測量兩塊相鄰熔化巧克力之間的距離，同樣可以得到類似的結(jié)果。

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[2]蔡祖泉.電光源原理引論[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1988.

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