微波炉中的能量转化|微波炉中学物理

微波炉中的能量转化|微波炉中学物理

    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。
　　
　　2.7烹饪时间的估算
　　
　　食物烹饪时,所用的时间可以用下面简单的方法来估算。一般的家用微波炉每瓦每分钟可使食物产生热量约:14.4×85%≈12.2(Cal),食物由初始温度加热到所需温度时吸收的热量为:Q=mcΔt。式中m是被加热食物的质量,单位是g,c是食物的比热容,可根据食物含水分的多少估计,一般在0。5～1之间,单位是Cal/(g?℃);Δt是食物升高的温度,单位是℃;功率是P(W)的微波炉在t(min)内产生热量为:12。2Pt。所以烹饪食物所需的时间为:t=mcΔt12.2P。
　　
　　例如：用一个输出功率为600W的微波炉把500g的鱼,从20℃的室温加热到100℃所需时间可这样求。
　　
　　因为鱼含水分较多,比热容估计0。95Cal/(g?℃),代入上式t=500×0。95×(100-20)12。2×600≈5。2min。
　　
　　当然,并不是鱼达到100℃立即就熟的,还需要继续加热一段时间。
　　
　　2.8为什么加热有些食物会爆炸
　　
　　我们在日常生活中用微波炉给带皮的猪肉、鸭肉这些脂肪和胶质蛋白含量较高的食物加热时,食物往往会突然发生爆炸。这是因为微波加热时,一方面脂肪和胶质蛋白含量较高的地方迅速凝固,把水分包裹在中间,另一方面水分受到微波的作用温度迅速升高并汽化。当压强达到一定程度就会发生爆炸。另外还有完好的鸡蛋、没有剥去塑料包装的火腿肠、有完整外壳的坚果如白果类等,在微波炉中加热时有可能因内部压强过大而发生爆炸,应该把其外壳弄破或塑料外包装剥掉再加热。
　　
　　3、结束语
　　
　　常言说得好,处处留心皆学问,在我们日常生活中,物理现象、物理知识无处不在。作为物理教师,物理课要与日常生活联系起来,这样才能使物理课妙趣横生,有血有肉。

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