趣味微波爐演示實驗8則

■何桂明 湯彩紅 伍思健

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

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、導航、遙感及傳送電話和電視信號等。近年來，應用微波加熱原理制造的微波爐在生活中得到廣泛應用，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，915 MHz用于工業的干燥與消毒等。家用微波爐加熱食物的原理比較復雜：微波爐的電控系統將220 V交流電通過高壓變壓器和高壓整流器，轉換成4000 V左右的直流電，送到微波發生器(也稱磁控管)產生微波，微波通過波導管傳入爐熱腔里。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極性分子(如水、脂肪、蛋白質、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，利用它發出功率強大的微波，可以開展很多種有趣的物理實驗，加深我們對電磁場與電磁波的認識理解。

實驗1：放進微波爐里的手機

手機通話依靠無線電波傳遞信息，把手機放進密閉的微波爐里面會怎樣？不少人認為，微波爐能夠將微波封閉在爐腔里面防止泄漏，外界的手機信號同樣也不能穿透微波爐被手機接收。

實驗過程：把調音狀態的手機A放到微波爐里，關閉爐門。用另外一部手機B撥打呼叫A ,手機A發出清晰的鈴聲，表明無線信號可以穿透微波爐的金屬外殼。

實驗說明：手機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信號就是一個例證。若把手機放進啟動的微波爐里面，它能接收微波信號嗎？這個實驗最好用報廢的舊手機進行。實驗結果，手機能夠接收微波爐發射出的電磁波，不過手機開始冒煙并發出火光。手機電池含有電解質，在電磁場作用下發生化學反應，產生大量的熱，某些情況下甚至發生危險的爆炸。

實驗2：蠟燭燃燒與球狀閃電

實驗過程：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強烈的放電，形成罕見的球狀閃電現象。

實驗說明：燃燒的蠟燭產生碳，在強大的電磁場作用下使空氣電離，產生氣體放電。換用燃燒的火柴等物體，也能得到類似現象。2006年，以色列兩位科學家應用家庭微波爐，制造出可控的球形閃電，實驗結果發表在Physical Review Letters上。

實驗3：水的過熱現象

實驗過程：用開口玻璃杯裝滿水后放入微波爐長時間加熱，沒有冒氣泡現象。危險警告：此時玻璃杯水處于極度危險的過熱狀態，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，甚至玻璃杯發生爆裂。

實驗說明：通常情況下，水燒開時內部有大量氣泡形成，這些氣泡具有足夠大的半徑，當氣泡中的蒸汽壓大于或等于液體的壓強，氣泡破裂使水面發生沸騰。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，水溫達到沸點時表面不會出現氣泡破裂現象，這稱為過熱水。過熱水十分危險，周圍環境發生一點變化，如壓力、溫度或震動使水瞬間劇烈沸騰而導致爆炸。

實驗4：輝光球的絢爛弧光

實驗過程：輝光球是一個密閉的玻璃球殼，腔體內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，構成一個指向球面的尖端。通電后，底板的環氧樹脂基線路板將220 V交流電轉變成高頻脈沖交流電，電壓可達數千至一萬伏，球心產生尖端放電，形成各種顏色的弧光。

實驗說明：把輝光球單獨放入啟動的微波爐里，金屬絲釋放的電子在強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象，發出絢麗的弧光。

實驗5：放進微波爐的白熾燈泡

實驗過程：在微波爐里放入一個白熾燈泡，啟動開關，燈泡發出明亮的白光。

實驗說明：白熾燈發光原理是燈泡兩端加上額定電壓，電流通過鎢絲而發光發熱。燈泡內部的燈絲處于高度真空，微波爐發射的電磁波使燈絲中的電子在強電場作用下，獲得巨大能量而發射至鎢絲表面，發光原理與電流通過鎢絲發光過程類似。長時間加熱白熾燈，電子與燈泡內部少量殘余氣體作用，產生高溫等離子體，等離子體膨脹導致燈泡內爆。

實驗6：放進微波爐里的日光燈

實驗過程：把體積較小的日光燈或節能燈放進啟動的微波爐里，觀察到日光燈管在發光。

實驗說明：微波爐發射的電磁波激發日光燈兩端的燈絲電極發射大量電子，電子碰撞管內惰性氣體分子電離，產生的熱量使水銀蒸氣也被電離并發出強烈的紫外線，紫外線激發管壁內的熒光粉發出白色的可見光。

實驗7：CD光盤和錫紙放入微波爐

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

實驗說明：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，發出大量的熱，產生電火花。把折疊的錫紙放入微波爐，錫紙在電磁場作用下產生的電流跳過空隙，也會產生電弧或火花。

實驗8：用微波爐測量光速

世界著名的科普雜志《新科學家》刊載一篇利用微波爐測量光速的方法，實驗設計之精巧、實驗結果之精確，令人嘆為觀止。

實驗過程：選用一臺有旋轉托盤的微波爐，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，發現有部分的棉花糖被熔化，這些熔化的棉花糖有一定圖案規則，熔化和沒熔化的棉花糖在某個方向上會交替出現。

實驗說明：微波爐發出的微波在爐腔內形成駐波，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。由于事先取出旋轉托盤，棉花糖沒有在微波爐中旋轉，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，計算出來的電磁波的速為：2450×1000 /秒×6厘米×2＝294000米/秒，與科學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驗，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果。

[1]王妙康.輝光放電型譜[J].光源與照明,2006(4):4-7.

[2]蔡祖泉.電光源原理引論[M].上海:復旦大學出版社,1988.

[3]梁燦彬.電磁學[M].北京:高等教育出版社,2001.