本文介绍了用微波炉开展的8则趣味探究物理实验，目的是加深对电磁场与电磁波理论的认识和理解。
微波是频率为300 MHZ～300 GHZ的电磁波，主要用于无线电通信，如雷达、导航、遥感及传送电话和电视信号等。近年来，应用微波加热原理制造的微波炉在生活中得到广泛应用，在国际上，家用微波炉有915 MHz和2450 MHz两个频率，2450 MHz用于家庭烹调，915 MHz用于工业的干燥与消毒等。家用微波炉加热食物的原理比较复杂：微波炉的电控系统将220 V交流电通过高压变压器和高压整流器，转换成4000 V左右的直流电，送到微波发生器（也称磁控管）产生微波，微波通过波导管传入炉热腔里。炉热腔由金属制成，微波不能穿过，只能在炉腔里反射，被食物吸收后引起食物内极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）以每秒24.5亿次的极高频率振动，引起分子相互摩擦生热而烹熟食物。微波炉外壳用不锈钢等金属材料制成，阻挡微波从炉内泄露， 避免对人体健康造成伤害。
微波炉不仅是家庭厨房的得力助手，利用它发出功率强大的微波，可以开展很多种有趣的物理实验，加深我们对电磁场与电磁波的认识理解。
实验1：放进微波炉里的手机
手机通话依靠无线电波传递信息，把手机放进密闭的微波炉里面会怎样？不少人认为，微波炉能够将微波封闭在炉腔里面防止泄漏，外界的手机信号同样也不能穿透微波炉被手机接收。
实验过程：把调音状态的手机A放到微波炉里，关闭炉门。用另外一部手机B拨打呼叫A ，手机A发出清晰的铃声，表明无线信号可以穿透微波炉的金属外壳。
实验说明：手机信号不同于波长极短的微波，它能够穿透一定厚度的金属，平时我们在密闭的电梯里面也能接收微弱的手机信号就是一个例证。若把手机放进启动的微波炉里面，它能接收微波信号吗？这个实验最好用报废的旧手机进行。实验结果，手机能够接收微波炉发射出的电磁波，不过手机开始冒烟并发出火光。手机电池含有电解质，在电磁场作用下发生化学反应，产生大量的热，某些情况下甚至发生危险的爆炸。
实验2：蜡烛燃烧与球状闪电
实验过程：把一根燃烧的蜡烛用倒扣的玻璃杯覆盖，放入启动的微波炉。玻璃杯顶端蜡烛火焰处出现强烈的放电，形成罕见的球状闪电现象。
实验说明：燃烧的蜡烛产生碳，在强大的电磁场作用下使空气电离，产生气体放电。换用燃烧的火柴等物体，也能得到类似现象。2006年，以色列两位科学家应用家庭微波炉，制造出可控的球形闪电，实验结果发表在Physical Review Letters上。
实验3：水的过热现象
实验过程：用开口玻璃杯装满水后放入微波炉长时间加热，没有冒气泡现象。危险警告：此时玻璃杯水处于极度危险的过热状态，一旦用汤勺搅动水杯，或者将咖啡、糖等倒入杯中，杯中的水会突然沸腾，甚至玻璃杯发生爆裂。
实验说明：通常情况下，水烧开时内部有大量气泡形成，这些气泡具有足够大的半径，当气泡中的蒸汽压大于或等于液体的压强，气泡破裂使水面发生沸腾。微波炉加热时水分子以每秒钟几十亿次的频率震荡加热，由于加热升温时间太短，水中的气泡来不及膨胀增大，水温达到沸点时表面不会出现气泡破裂现象，这称为过热水。过热水十分危险，周围环境发生一点变化，如压力、温度或震动使水瞬间剧烈沸腾而导致爆炸。
实验4：辉光球的绚烂弧光
实验过程：辉光球是一个密闭的玻璃球壳，腔体内部被抽成真空并充满氖气、氦气等惰性气体，球心由金属丝弯绕而成，构成一个指向球面的尖端。通电后，底板的环氧树脂基线路板将220 V交流电转变成高频脉冲交流电，电压可达数千至一万伏，球心产生尖端放电，形成各种颜色的弧光。
实验说明：把辉光球单独放入启动的微波炉里，金属丝释放的电子在强电场作用下加速撞击腔体里的惰性气体原子，原子电离成正离子和电子继续撞击其他气体原子，在金属尖端与球壳之间形成气体放电现象，发出绚丽的弧光。
实验5：放进微波炉的白炽灯泡
实验过程：在微波炉里放入一个白炽灯泡，启动开关，灯泡发出明亮的白光。
实验说明：白炽灯发光原理是灯泡两端加上额定电压，电流通过钨丝而发光发热。灯泡内部的灯丝处于高度真空，微波炉发射的电磁波使灯丝中的电子在强电场作用下，获得巨大能量而发射至钨丝表面，发光原理与电流通过钨丝发光过程类似。长时间加热白炽灯，电子与灯泡内部少量残余气体作用，产生高温等离子体，等离子体膨胀导致灯泡内爆。
实验6：放进微波炉里的日光灯
实验过程：把体积较小的日光灯或节能灯放进启动的微波炉里，观察到日光灯管在发光。
实验说明：微波炉发射的电磁波激发日光灯两端的灯丝电极发射大量电子，电子碰撞管内惰性气体分子电离，产生的热量使水银蒸气也被电离并发出强烈的紫外线，紫外线激发管壁内的荧光粉发出白色的可见光。
实验7：CD光盘和锡纸放入微波炉
实验过程：CD光盘的主要材质是聚碳酸酯（PC），把CD光盘放入微波炉，光盘表面出现明亮的电火花，伴有噼里啪啦的爆裂声。
实验说明：光盘表面涂有很薄的铝反射层，微波照射到铝涂层，在金属表面形成涡流，发出大量的热，产生电火花。把折叠的锡纸放入微波炉，锡纸在电磁场作用下产生的电流跳过空隙，也会产生电弧或火花。
实验8：用微波炉测量光速
世界著名的科普杂志《新科学家》刊载一篇利用微波炉测量光速的方法，实验设计之精巧、实验结果之精确，令人叹为观止。
实验过程：选用一台有旋转托盘的微波炉，取出微波炉中的托盘，在另外一个托盘上平铺一层棉花糖，最好用不同颜色交错铺开。把装有棉花糖的盘子放入微波炉，用低档加热几分钟，直到棉花糖冒气泡。取出装棉花糖的盘子，发现有部分的棉花糖被熔化，这些熔化的棉花糖有一定图案规则，熔化和没熔化的棉花糖在某个方向上会交替出现。
实验说明：微波炉发出的微波在炉腔内形成驻波，其原理是两列频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加时，合成波形成一种特殊的驻波。驻波的波峰穿过食物，通过激发水分子加热。用直尺测量两块相邻熔化的棉花糖之间的距离，大约在5～6厘米，这正是驻波两个波峰的间距。由于事先取出旋转托盘，棉花糖没有在微波炉中旋转，故没有被均匀加热，只是在驻波的波峰处被加热，棉花糖的熔化展现驻波在微波炉中的分布情况。利用波速（c）＝频率（f）×波长（L），两块相邻熔化棉花糖之间的距离是驻波波长的一半，即L/2。 如果测量距离是6厘米，微波炉的工作频率是2450兆赫兹，计算出来的电磁波的速为：2450×1000 /秒×6厘米×2＝294 000米/秒，与科学家测量出真空中的光速299 792米/秒相比较，两者非常接近。如果用一大块巧克力做实验，测量两块相邻熔化巧克力之间的距离，同样可以得到类似的结果。■
参考文献
[1]王妙康.辉光放电型谱[J].光源与照明，2006（4）：4-7.
[2]蔡祖泉.电光源原理引论[M].上海：复旦大学出版社，1988.
[3]梁灿彬.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2001.
（作者单位：1 南宁第五中学；2 广西民族大学理学院）
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