蒋 硕 郭旭波 安 宇 张留碗 阮 东

(清华大学物理系,北京 100084)

第50届国际物理奥林匹克竞赛于2019年7月7日至15 日在以色列特拉维夫举行,共有76个国家300多名中学生选手参加。由清华大学物理系率领代表中国参赛的5名中学生全部获得了金牌[1],并取得了团体总分第一、个人总分第一,个人理论和个人实验总分第一的优异成绩。本次竞赛理论试题共三道,每道10分。其中第二道关于微波炉工作与食品加热原理的问题[2]很有意思。微波炉是大家日常生活中都用过的电器,但对它的工作原理却未必都熟悉。其实微波炉的发明就是二战时雷达研究的副产品。雷达的核心器件是产生射频电磁波的磁控管(magnetron)。在当时磁控管调试中,研究者PercySpencer发现口袋中的巧克力被加热融化,进而发明了微波炉[3]。在本次竞赛中,出题委员会将微波炉中的磁控管进行了模型简化,定性和定量地探究它的工作原理,全面考查电磁学的内容;并利用电磁波与水分子作用(受激电偶极子模型),研究微波加热食物的机制。题目贴近生活同时全方位考查基础物理知识,本文将对它进行详细的介绍与解答。

1 题目:微波炉的物理

这个题目是关于微波炉中微波的产生,及其加热食物的用途。微波是在一个被称为磁控管的装置中产生的。Part A 是关于磁控管的原理,PartB是食物对微波的吸收。

PartA:磁控管的结构与原理(6.6分)

磁控管是用来产生微波辐射的装置,可产生脉冲(用于雷达)或连续(比如在微波炉中)的微波。……