厨房里的光学 微波炉加热食物物理解析

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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