1、引言
日常生活中有许多家用电器,如电饭煲、电磁炉、微波炉、电视机等,每一样家用电器都包含有不少物理知识。可以说,家用电器离不开物理,家用电器是在物理知识的基础上发展起来的。所以,物理教师在上物理课的时候,有必要把与教学内容相关的家用电器介绍给学生,一方面可以让学生了解家用电器的有关知识,激发他们的学习兴趣;另一方面也能巩固所学的物理知识。下面就家用电器中的微波炉,谈谈其中的物理知识。
2、微波炉中的物理知识
2.1能量的转化
微波炉作为一种加热电器,普遍使用于千家万户。微波炉的加热原理既不同于电饭煲,也不同于电磁炉。简单地说,把220V的交流电压经变压器升压,整流后变成几千伏的直流电压加到磁控管阳极,磁控管阴极在几伏交流电的灯丝加热下辐射电子,电子在磁控管阳极和阴极之间受电场和磁场的双重作用,做以阴极为中心的旋转运动,当电子速度达到一定时,在阳极谐振腔中产生高频振荡,并由发射电磁波的天线将微波能传输到炉腔给食物加热。从能量转化来讲,微波炉是把电能转化成电磁能,再由电磁能转化成内能(热能)。
2.2极化现象
食物中都含有大量水分,水分子在无外加电场时,内部正负电荷重心互相错开,形成一个电偶极矩,所以水是有极分子。通常情况下,有极分子是无序排列的。若把有极分子放在外加电场中,有极分子会沿着电场方向形成有序排列,产生极化现象。若外加电场是交变的且频率很高,如频率是2450MHz的微波时,分子会反复交变极化,变化的速度达到每秒2450亿次,这就带来了分子间的快速碰撞、磨擦,从而产生热能。如图1。
2.3波长
微波炉是利用微波给食品加热的,微波也是一种电磁波,国际上规定,用作微波炉的微波频率是915MHz和2450MHz两种,其中915MHz用于工业部门作烘烤、干燥、消毒等,2450MHz多用于家庭炊具[1],这样规定是为了避免干扰通讯电波。家用微波炉采用2450MHz的微波,其性能近似于太阳光的性质,电磁波的波速与光速相同,都是3×108m/s,因此可以求出微波的波长:λ=cf=2345×01×01806=0.12245m=122.45mm。微波炉使用的微波在电磁波谱的位置[2],如图2。
2.4电磁屏蔽
高强度的微波对人体有一定的危害,国际上规定微波炉泄漏微波量不得大于5mW/cm2[3]。微波炉在防泄漏方面的措施是根据物理学的电磁屏蔽,微波炉炉腔内壁是金属的,炉门观察窗的玻璃夹层中有金属丝网,整个炉腔就是一个金属屏蔽壳,微波是不能穿透金属屏蔽壳的。
2.5微波在炉腔里的传播特性
直线性：与可见光一样,微波在炉腔里是沿直线传播的。
反射性：微波在炉腔里传播,遇到金属物体时就会发生反射,就像可见光射到镜面发生反射那样。炉腔的6个面是金属的,微波在炉腔内来回反射,让食物充分吸收微波。
吸收性：微波会被含有水分的物体吸收而转化成热能。
穿透性：由于非金属不具备屏蔽作用,所以能够穿透如陶瓷、玻璃、塑料等非金属物体。
2.6器皿
并不是所有器皿都能用来盛放食物放在微波炉中加热的。熔点低不耐热的塑料容器、漆器等尽管微波穿透性好,但受热会变形、熔化,甚至会产生有害物质,所以不适合用。所有金属器皿或金属坯胎的搪瓷器皿对微波有反射,器皿中的食物很难接受到微波。装有金属螺钉、金属环、金属柄、有金银花纹装饰的器皿,在微波的作用下金属部分的局部因带过量电荷而放电,产生电弧(即打火),所以不能用。
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