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厨房里的光学 微波炉加热食物物理解析

2019-01-18 11:46:09来源：科学大院  

光学，物理学的重要分支，仅21世纪以来，就有六次诺贝尔物理学奖与光学有关，比如2018年的诺奖就颁给了光镊和激光放大技术。

“高冷”的诺奖很精彩，身边中的光学一样大有学问哦：微波炉、手机、汽车……都离不开光学相助!

从今天起，科学大院联合中科院上海光机所推出“追光逐梦”系列专栏，不仅带您一起探索身边的科学，还会带您走入高精尖的前沿光学科技殿堂!

现在，大多数家庭的厨房里都少不了一台微波炉。它随处可见似乎没有什么新奇。但其实，微波炉是“20世纪改变世界的十大发明”之一。

快速加热食物当然是微波炉的属性。但你会不会好奇，在这轰轰响的几分钟里，既没有火也没有发热物体，食物是如何被加热的呢?

今天我们就来解答你的疑惑，一起聊聊厨房里看不到的光学——作用于食物上的“微波”。

微波是一种特殊的“光”，和可见光一样是一种电磁波。但因为微波的波长超过人眼的感受范围，所以，它在我们眼前“隐身”了。放在微波炉的食物，一般都含有水分。水分子是极性分子，一头带正电，一头带负电。水分子通常是杂乱无章地分布着。

但是当水分子遇上电场，它会调整方向。带正电那头与电场方向一致，带负电的那头则与电场方向相反。一旦电场转动起来，会带着水分子一起振荡。电场转动起来，就会形成电磁波，而电磁波携带着能量。

由于微波电场的转动频率恰好与水分子本征频率一致，水分子的转动始终会被转动的电场加速，从而不断获得能量，这就是通常所说的“共振”现象。“共振”过程中，水分子振荡得越来越剧烈，能量越来越高，水温也就升高了。食物中的很多分子是和水分子相似的“极性分子”，同样也被微波加热了。

那么问题来了，同样是电磁波，可见光为什么不能加热食物呢?这是因为，可见光的振荡频率比水分子本征频率快得多，达不到“共振”的程度，食物吸收不了多少光的能量。

我们可以通过一个实验，来说明“共振”的原理。

我们用6个钟摆做共振实验，首先把钟摆都放在悬挂的活动板上，然后随机拨动所有的钟摆，这时候有的钟摆向左，有的钟摆向右。但左边和右边的力量总会不对等，从而造成一边比另一边的力多一点，多出的一点力就使得下面的活动板产生微小的摆动。

这个摆动也会对6个钟摆施加共同的力。类似于微波对水分子那样。共振就起作用了，没有任何干预，所有钟摆的步调会变得一致。

大家应该明白微波炉的工作原理了，但很多人还有一个问题：为什么微波炉明令禁止使用金属容器呢?这是因为，金属容器不但对加热食物毫无意义，还有潜在的危险。

在微波炉中加热时，微波遇到“金钟罩”就被反射了。而真正危险的是，在强大的微波作用下，金属中的自由电子快速移动，产生的电弧会击坏微波炉内壁，毁坏微波炉中的电子元器件，甚至把微波炉烧毁。所以在微波炉内使用金属器皿绝对不是一个好主意。

走出厨房，微波的应用好像让我们有了“另一双眼睛”。微波雷达能为各种交通工具提供精确的定位导航，为军队侦查敌机和导弹;微波遥感技术使得航拍获得的“微波地形图”比可见光和红外遥感获得的图像更真实。

现在，如果在太空探测，会发现极其微弱的微波辐射，这是整个宇宙的背景“噪声”，是138亿年前宇宙大爆炸留下的“遗产”。未来，人类或许可以利用这笔遗产做出了不起的事呢!

光学，物理学的重要分支，仅21世纪以来，就有六次诺贝尔物理学奖与光学有关，比如2018年的诺奖就颁给了光镊和激光放大技术。

“高冷”的诺奖很精彩，身边中的光学一样大有学问哦：微波炉、手机、汽车……都离不开光学相助!

从今天起，科学大院联合中科院上海光机所推出“追光逐梦”系列专栏，不仅带您一起探索身边的科学，还会带您走入高精尖的前沿光学科技殿堂!

现在，大多数家庭的厨房里都少不了一台微波炉。它随处可见似乎没有什么新奇。但其实，微波炉是“20世纪改变世界的十大发明”之一。

快速加热食物当然是微波炉的属性。但你会不会好奇，在这轰轰响的几分钟里，既没有火也没有发热物体，食物是如何被加热的呢?

今天我们就来解答你的疑惑，一起聊聊厨房里看不到的光学——作用于食物上的“微波”。

微波是一种特殊的“光”，和可见光一样是一种电磁波。但因为微波的波长超过人眼的感受范围，所以，它在我们眼前“隐身”了。放在微波炉的食物，一般都含有水分。水分子是极性分子，一头带正电，一头带负电。水分子通常是杂乱无章地分布着。

但是当水分子遇上电场，它会调整方向。带正电那头与电场方向一致，带负电的那头则与电场方向相反。一旦电场转动起来，会带着水分子一起振荡。电场转动起来，就会形成电磁波，而电磁波携带着能量。

由于微波电场的转动频率恰好与水分子本征频率一致，水分子的转动始终会被转动的电场加速，从而不断获得能量，这就是通常所说的“共振”现象。“共振”过程中，水分子振荡得越来越剧烈，能量越来越高，水温也就升高了。食物中的很多分子是和水分子相似的“极性分子”，同样也被微波加热了。

那么问题来了，同样是电磁波，可见光为什么不能加热食物呢?这是因为，可见光的振荡频率比水分子本征频率快得多，达不到“共振”的程度，食物吸收不了多少光的能量。

我们可以通过一个实验，来说明“共振”的原理。

我们用6个钟摆做共振实验，首先把钟摆都放在悬挂的活动板上，然后随机拨动所有的钟摆，这时候有的钟摆向左，有的钟摆向右。但左边和右边的力量总会不对等，从而造成一边比另一边的力多一点，多出的一点力就使得下面的活动板产生微小的摆动。

这个摆动也会对6个钟摆施加共同的力。类似于微波对水分子那样。共振就起作用了，没有任何干预，所有钟摆的步调会变得一致。

大家应该明白微波炉的工作原理了，但很多人还有一个问题：为什么微波炉明令禁止使用金属容器呢?这是因为，金属容器不但对加热食物毫无意义，还有潜在的危险。

在微波炉中加热时，微波遇到“金钟罩”就被反射了。而真正危险的是，在强大的微波作用下，金属中的自由电子快速移动，产生的电弧会击坏微波炉内壁，毁坏微波炉中的电子元器件，甚至把微波炉烧毁。所以在微波炉内使用金属器皿绝对不是一个好主意。

走出厨房，微波的应用好像让我们有了“另一双眼睛”。微波雷达能为各种交通工具提供精确的定位导航，为军队侦查敌机和导弹;微波遥感技术使得航拍获得的“微波地形图”比可见光和红外遥感获得的图像更真实。

现在，如果在太空探测，会发现极其微弱的微波辐射，这是整个宇宙的背景“噪声”，是138亿年前宇宙大爆炸留下的“遗产”。未来，人类或许可以利用这笔遗产做出了不起的事呢!

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