趣味微波炉演示实验8则/

 

本文介绍了8个利用微波炉进行的有趣的物理实验,旨在加深对电磁场和电磁波理论的认识和理解。

微波是频率为 300 MHZ 至 300 GHZ 的电磁波。 它们主要用于无线电通信,例如雷达、导航、遥感以及电话和电视信号的传输。 近年来,利用微波加热原理制造的微波炉已广泛应用于生活中。 国际上,家用微波炉有两种频率:915 MHz和2450 MHz。 2450 MHz用于家庭烹饪,915 MHz用于工业干燥和消毒。 。 家用微波炉加热食物的原理比较复杂:微波炉的电子控制系统通过高压变压器和高压整流器将220V交流电转换成4000V左右的直流电,送到微波发生器(也称为磁控管)产生微波。 微波通过波导进入炉热腔。 烤箱的加热腔由金属制成。 微波不能穿过,只能在炉腔内反射。 被食物吸收后,食物中的极性分子(如水、脂肪、蛋白质、糖等)的频率振动使分子相互摩擦产生热量,从而烹调食物。 微波炉外壳采用不锈钢等金属材料制成,阻挡微波从炉内泄漏,避免对人体健康造成危害。

微波炉不仅是家庭厨房的得力助手,还可以利用它发射出强大的微波来进行许多有趣的物理实验,加深我们对电磁场和电磁波的认识。

实验一:手机放入微波炉

手机通话依靠无线电波来传输信息。 如果将手机放入密封的微波炉中会发生什么? 很多人认为微波炉可以将微波密封在炉腔内部,防止泄漏,而外部的手机信号无法穿透微波炉被手机接收到。

实验过程:将调好音的手机A放入微波炉内,关闭炉门。 用另一部手机B给A打电话,手机A发出清脆的铃声,说明无线信号可以穿透微波炉的金属外壳。

实验说明:手机信号与波长极短的微波不同。 它们可以穿透一定厚度的金属。 这是一个例子,说明我们通常在封闭的电梯里可以接收到微弱的手机信号。 如果将手机放入通电的微波炉中,它会收到微波信号吗? 这个实验最好用旧的、报废的手机来进行。 实验结果显示,手机可以接收微波炉发出的电磁波,但手机开始冒烟并起火。 手机电池中含有电解质,在电磁场作用下会发生化学反应,产生大量热量,在某些情况下甚至会发生危险的爆炸。

实验2:蜡烛燃烧和球状闪电

实验过程:用倒置的玻璃罩住燃烧的蜡烛,放入已启动的微波炉中。 玻璃顶部的蜡烛火焰处发生强烈放电,形成罕见的球状闪电现象。

实验描述:燃烧蜡烛产生碳,在强电磁场的作用下使空气电离,产生气体放电。 通过使用诸如燃烧的火柴之类的物体可以获得类似的现象。 2006年,两名以色列科学家使用家用微波炉制造出可控球状闪电。 实验结果发表在《物理评论快报》上。

实验3:水的过热

实验过程:将一个敞口的玻璃杯装满水,放入微波炉中长时间加热。 不会有气泡。 危险警告:此时玻璃杯中的水处于极其危险的过热状态。 一旦用勺子搅拌水杯,或者将咖啡、糖等倒入玻璃杯中,玻璃杯中的水就会突然沸腾,甚至玻璃杯会爆裂。

实验说明:正常情况下,水沸腾时,内部会产生大量气泡。 这些气泡有足够大的半径。 当气泡内的蒸气压大于或等于液体的压力时,气泡破裂,水面沸腾。 在微波炉中加热时,水分子以每秒数十亿次的频率振荡加热。 由于加热时间太短,水中的气泡来不及膨胀增大。 当水温达到沸点时,表面的气泡不会破裂。 这称为过热。 水。 过热水非常危险。 周围环境的轻微变化,例如压力、温度或振动,都会导致水瞬间剧烈沸腾并引起爆炸。

实验四:辉光球的绚丽弧线

实验过程:辉光球是一个密封的玻璃球。 腔体内部被抽空并充满惰性气体,例如氖气和氦气。 球体的中心由金属线制成,弯曲形成指向球体的尖端。 通电后,底板上的环氧树脂基电路板将220V交流电转换为高频脉冲交流电,电压可达数千至10000伏。 球中心产生尖端放电,形成各种颜色的弧线。

实验说明:将辉光球单独放入已启动的微波炉中。 金属丝释放的电子在强电场的作用下加速撞击腔内的惰性气体原子。 原子被电离成正离子,电子继续撞击金属尖端的其他气体原子。 球壳与球壳之间形成气体放电现象,发出绚丽的弧光。

实验5:将白炽灯泡放入微波炉中

实验过程:将一个白炽灯泡放入微波炉中,打开开关,灯泡发出明亮的白光。

实验讲解:白炽灯点亮的原理是在灯泡两端施加额定电压,电流通过钨丝产生光和热。 灯泡内的灯丝处于高真空状态。 微波炉发出的电磁波使灯丝中的电子在强电场的作用下获得巨大的能量,发射到钨丝表面。 发光原理类似于电流通过钨丝发光的过程。 当白炽灯长时间加热时,电子与灯泡内部的少量残留气体相互作用,产生高温等离子体。 等离子体的膨胀导致灯泡内爆。

实验六:荧光灯放入微波炉中

实验过程:将较小的日光灯或节能灯放入已启动的微波炉中,观察日光灯管发光。

实验描述:微波炉发射的电磁波激发荧光灯两端的灯丝电极发射大量电子。 电子与管中的惰性气体分子碰撞并将其电离。 产生的热量使汞蒸气电离并发出强烈的紫外线。 紫外光激发管壁内的荧光粉发出白色光。 可见光。

实验7:将CD和锡纸放入微波炉中

实验过程: CD的主要材料是聚碳酸酯(PC)。 将CD放入微波炉中,CD表面会出现明亮的火花,并伴有噼啪声。

实验描述:光盘表面镀有一层很薄的铝反射层。 当微波照射到铝涂层上时,金属表面形成涡流,放出大量热量并产生电火花。 将折叠好的锡纸放入微波炉中。 锡箔在电磁场的作用下产生的电流会跃过间隙,产生电弧或火花。

实验8:使用微波炉测量光速

世界著名科普杂志《新科学家》发表了一篇关于利用微波炉测量光速的方法的文章。 实验设计精美,实验结果准确。

实验过程:使用带有旋转托盘的微波炉,将微波炉中的托盘取出,在另一个托盘上铺上一层棉花糖,最好是不同颜色的。 将装有棉花糖的盘子放入微波炉中,低火加热几分钟,直至棉花糖冒泡。 取出盛有棉花糖的盘子,发现部分棉花糖已经融化了。 这些融化的棉花糖有一定的图案规则。 融化和未融化的棉花糖在某个方向交替出现。

实验解释:微波炉发出的微波在炉腔内形成驻波。 其原理是,当频率和幅度相同、振动方向相同、传播方向相反的两个波叠加时,所得的波就形成特殊的驻波。 驻波的波峰穿过食物,通过激发水分子来加热食物。 使用尺子测量两个相邻融化的棉花糖之间的距离。 大约是5到6厘米。 这是驻波的两个波峰之间的距离。 由于提前取出旋转托盘,棉花糖在微波炉中没有旋转,因此受热不均匀。 它们仅在驻波的峰值处被加热。 棉花糖的融化显示了微波炉中驻波的分布。 用波速(c)=频率(f)×波长(L),相邻两块融化的棉花糖之间的距离为驻波波长的一半,即L/2。 若测量距离为6 cm,微波炉工作频率为2450 MHz,则计算出电磁波的速度为:2450×1000/s×6 cm×2=294 000 m/s,相当于科学家测得的真空光速299与792米/秒相比,两者非常接近。 如果您尝试一大块巧克力并测量两块相邻融化巧克力之间的距离,您将得到类似的结果。 ■

参考

[1] 王妙康. 辉光放电图形谱[J]. 光源与照明,2006(4):4-7。

[2] 蔡祖全. 电光源原理概论[M]. 上海:复旦大学出版社,1988。

[3] 梁灿斌. 电磁学[M]. 北京:高等教育出版社,2001。

(作者单位:1南宁市五中;2广西民族大学理学院)

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