Robert J. Simpson 文 Shea 编译

研究恒星形成的天文学家会使用望远镜在可见光波段上来观测星云。在星云的内部,温度非常低的尘埃会发出亚毫米波和微波辐射。

在电磁波谱上微波处于无线电波和红外光之间,波长范围在1毫米到30厘米。你家的厨房中也许就放着一台微波炉,因此在日常生活中你可能对它已经相当熟悉了。

微波炉会使用特定频率的微波来激发水分子。由于大多数的食物和饮料中都含有水分子,于是微波炉就能很快地加热它们。对于普通老百姓来说,使用微波已经相当的普及,而它仅几厘米的波长也非常适合用来在自己的家里测量光速。

材料:

做这个小实验最快捷、最“有味”的办法是使用棉花糖。如果没有棉花糖,用一大板巧克力也可以代替。当然你要有一台微波炉、一个可用于微波炉加热的大盘子以及一把尺。

做法:

在盘子的底层铺上一层棉花糖,最好是用不同颜色的彼此交错地铺。然后关键的一步是取出微波炉中的旋转托盘,否则实验就无法进行。如果你所使用的微波炉没有旋转托盘,那最好换一台有旋转托盘的,但是在实验之前一定要把它取出。

把装有棉花糖的盘子放入微波炉,用低档加热几分钟,或者也可以加热到棉花糖气泡为止。然后把装棉花糖的盘子取出。

这时你应该看到有部分的棉花糖被熔化了,但并不是所有的。事实上,熔化的棉花糖是有一定的图案规则的。这个图案和你所使用的微波炉有关,但总的来说可以看到熔化和没熔化的棉花糖在某个方向上会交替出现。

造成这一现象的原理和微波炉加热食物的道理是一样的。微波炉中所发出的微波很快会在放置食物的空腔内形成驻波。当频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加时,合成的波并不会向前推进,而是驻留在原地,故称驻波。当食物在微波炉中转动的时候,驻波的波峰就会穿过食物,通过激发水分子加热它。

测量微波:

用尺子测量两块相邻熔化的棉花糖之间的距离,两者的距离大约在5-6厘米左右。这正是驻波两个波峰的间距。

正因为事先取出了旋转托盘,这样棉花糖才没有在微波炉中旋转,也才没有被均匀加热,只是在驻波的波峰处被加热了而已。反过来,这盘棉花糖也向你展现了驻波在你所使用的微波炉中的分布情况。

寻找频率:

最后需要知道你所使用的微波炉的工作频率。通常这个数值会写在微波炉的背面。对于绝大多标准的微波炉来说,这个频率为2450兆赫兹。如果在微波炉的背面没找到,直接采用2450兆赫兹这个数值也无妨。

测量光速:

现在测量光速所需的东西都已经齐了。下面就是利用一个非常基本的物理学公式:

波的速度(c)=频率(f)×波长(L)

两块相邻熔化棉花糖之间的距离其实是驻波波长的一半,即L/2。原因就在于虽然驻波不会向前传播,但是经过半个周期之后它的波峰会变成波谷,波谷也会变成波峰。因此,如果你测量到的距离是6厘米,微波炉的工作频率是2450兆赫兹,那么光速就是2450×1000,000/秒×6厘米×2=294,000,000米/秒。

真空中的光速为299,792,458米/秒,两者非常接近。看吧,这个简单实验的精度还是蛮高的。想一想有什么办法能让实验结果更精确吗?

下面就可以开动吃棉花糖喽。

转自科学松鼠会http://songshuhui.net/archives/38482.html