空气中的光速和真空中的光速很接近,约为30万千米/秒——这是个相当快的速度。因为光“跑”得如此之快,物理学家最初测量光速时颇费了一番心思。后来,科学家设计了许多方法来测量光速,得到了越来越精确的结果。科学家测量光速的实验大多需要精密的仪器,不过,利用家里的微波炉我们也能估算出光速,要不要试试?
①把微波炉的转盘和转盘下的底座拆下来,如果底座拆不下来,可以找一个可用于微波炉加热的碗扣在底座上。
2打破蛋壳,把鸡蛋中的蛋清倒出来。
3.找一个可用于微波炉加热的盘子,把蛋清均匀地涂抹在上面。要注意的是,蛋清覆盖的区域至少要有12厘米长,见下页图3。
4.把涂了蛋清的盘子放进微波炉,启动微波炉。具体加热时间你可能要亲自试验几次才能确定。可以从半分钟开始,如果整个盘子的蛋清都熟了,就重新开始,把时间缩短一点;如果都没熟,就继续加热一段时间。理想的状况是盘子上只有某些位置的蛋清熟了。
5.把盘子从微波炉中拿出来,注意别被烫到,也尽量不要碰到蛋清。
6.用尺子测量两块熟蛋清之间的距离。为了减少误差,可以先测量两块熟蛋清中心的距离,再测量两块熟蛋清边缘之间的距离,然后取平均值。
8.查看微波炉上的铭牌,找到它发射的微波的频率,你也可以在产品说明书上找到这个数值。
9.将几次实验得出的结果取平均值,该值等于微波波长的一半,而波长乘以频率就得出微波的速度,也就是光速了,把你计算出的结果跟公认的光速比较一下,看看相差多少。
微波炉是一种能够快速加热食物的电器。食物中的水、糖类和脂肪等物质的分子能够吸收微波的能量,从而让食物变热。微波和可见光一样,都是电磁波,它们在真空中的传播速度是一样的。
电磁波和水波、声波一样,当两列波相遇的时候会相互叠加,波峰和波峰叠加就会产生一个更高的峰,波谷和波谷叠加则会产生一个更深的谷,而波峰和波谷叠加则会被填平。这就是“波的干涉”。在微波炉中,微波(图1)碰到炉内壁后会被反射回来,一来一回的两列波相遇后会发生干涉,形成一种特别的波。这种波仿佛停止向前传播,固定在了空间中,因此被称为“驻波”(如图2所示)。驻波振幅较大的位置,食物加热得就比较快,而在那些振幅较小的地方,加热得就比较慢(见图3)。也正是这个原因,为了让食物加热均匀,多数微波炉会有一个转盘。拆去转盘后再加热食物,就能看出微波炉中的“热点”。这些“热点”之间的距离等于微波波长的一半。所以,测量熟蛋清之间的距离,能够让我们知道微波的波长。再参考从微波炉铭牌上的频率数值,就可以用光速=波长×频率这个公式计算出光速了。
有一点需要注意,这种方法测量出的光速并不是很准确。实际上,微波炉中的微波不是简单地在一个方向上来回反射,它分布在整个微波炉内的三维空间中。所以微波炉里干涉形成的驻波的波长和原来的微波并不完全一致。也就是说,你测出的两个“热点”之间的距离可能并不是微波波长的一半。这样你测出的光速跟科学家测出的光速结果可能不太一样,但数量级应该是没错的。