实验一：电磁波反射和折射实验

实验一：电磁波反射和折射实验 实验一:电磁波反射和折射实验 电磁场与微波测量 第一次实验 ——电磁场与微波测量 实验 2017-3-11 院系 :电子工程学院 班级 :2014211201 组号 :7组 组员 :梁嘉琪(报告) 李婉婷 学号 :2014210819 2014210820 一、 实验目的 1、熟悉S426型分光仪的使用。 2、掌握分光仪验证电磁波反射定律的方法。 3、掌握分光仪验证电磁波折射定律的方法。 二、 实验设备与仪器 S426型分光仪 三、 实验原理 电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。 验证均匀平面波 在无耗媒质中的传播特性;均匀平面波垂直入射理想电解质表面的传播特性。 四、 实验内容与步骤 1、熟悉分光仪的结构和调整方法。 2、连接仪器，调整系统。 仪器连接时，两喇叭口面应互相正对，他们各自的轴线应在一条直线上。指示两喇叭的位置的指针分别指于工作平台的90刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座(与支座上刻线对齐)拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度放下，即可压紧支座。 3、测量入射角和反射角 反射金属板放到支座上时，应使金属板平面与支座线面的小圆盘上的某一对刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应90刻度的一对刻线一致。这时小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。 转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度的读数就是入射角，然后转动活动臂在电流表上找到最大指示处，此时活动臂的指针所指的刻度就是反射角。如果此时表头指示太呆或太小，应调整衰减器、固态振荡器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。 4、注意: 做此项实验，入射角最好取30至65度之间。因为入射角太大接受喇叭有可能直接接受入射波。注意系统的调整和周围环境的影响。 五、 实验数据与处理: 结论:入射角越大，入射角和反射角绝对差值越小。接受信号越强，受影响越小。 2. 观察介质板(玻璃板)上的反射和折射实验: 实验数据及处理如下表: 结论:透射系数的平方和反射系数的平方相加，只有一个大于一，误差比较大。 六、 实验误差分析 根据电磁波在金属板与玻璃板反射实验结果可以看到，反射与折射大体上遵循反射和折射定律，但与理论值存在一定偏差，主要表现在:各个角度的反射实验中反射角与入射角有一定差异;玻璃板的反射与折射实验中反射、透射系数相加并不为1，我们认为这些差异主要由于以下实验误差引起。 1. 放置金属板、玻璃板时板面与小平台上90度刻线无法完全一致; 2.读取电流值时由于指针时常摆动造成读数不准; 3.入射角较大时接收到的反射电磁波可能已部分直接来源于入射源; 4.实验中来自其他实验组的仪器干扰;各种反射和手机等的影响。 5.实验员实验过程中身体活动带来一定干扰; 6.其他实验误差。 七、 思考题 1.在衰减器旁边的螺钉有什么作用, 衰减器旁有两个螺钉，其中一个控制衰减程度，另一个调整喇叭天线高度。 2，电磁波的反射和激光的反射有何相同之处以及不同之处。 相同之处是两者都遵循电磁波的反射定律;不同之处在于电磁波的反射波聚拢度较低，分散较大，互相存在干扰，而激光的聚拢度很高，实验结果更为精 确。 4，透射系数和反射系数相加是否等于1,为什么，进行误差分析。 不等于，略大于1，主要是一方面电流表测量值不够精确，电流表指针时常不稳定，另一方面一部分入射波可能不经反射、折射直接被接收端接收，同时反射波、折射波的干涉可能会造成强度的偏差。 实验二:单缝衍射实验 一、 实验目的 掌握电磁波的单缝衍射时衍射角对衍射波强度的影响。 本实验就是用微波分光仪，演示电磁波遇到缝隙时，发生的单缝衍射现象。 二、 实验设备与仪器 S426型分光仪，单缝衍射实验板 三、 实验原理及内容步骤 当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现衍射波强度的最小值，即一级极小，此时衍射角为φmin=Sin-1 λ/a，其中λ是波长，a是狭缝宽度。两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为 φmax=Sin-1(3/2*λ/a)。 仪器连接时，预先需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的90?刻度的一对线一致。转动小平台使固定臂的指针在小平台的 180?处，此时小平台的0?就是狭缝平面的法线方向。这时调整信号电平使表头指示接近满度。然后从衍射角0?开始，在单缝的两侧使衍射角每改变2?读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。 四、 实验数据处理: 记录实验测得数据，画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，根据微波波长和缝宽出一级极小和一级极大衍射角，由于实验曲线上求得等一级极小和极大的衍射角进行比较。 (1)单缝衍射实验 a=70mm λ=32mm \ 读出一级极小和一级极大值，并与理论值相比: ??132?Sin?27.2? 一级极小值 ??Sin?70?1 ?1一级极大值 ??Sin??32??3???1?3?3??Sin????43. 2?270???? 结论: 测量值与理论值有误差，极小值差的不多，极大值有较大误差。首先仪器产生的系统误差无法避免，测量时产生随机误差，还有实验室的很多仪器的辐射产生的各种误差。 (2)单缝衍射实验 a=50mm λ=32mm 读出一级极小和一级极大值，并与理论值相比: ?1一级极小值 ??Sin?32?Sin?1?39.?8 ?50 32??3???1?3?Sin ?????73.7? ?2???250? ?1一级极大值 ??Sin??结论: 极大值的误差太大了，各种仪器的互相影响太过严重。 (3)单缝衍射实验 a=20mm λ=32mm 读出一级极小和一级极大值，并与理论值相比: ?1一级极小值 ??Sin?32?Sin?1?无结果 ?20 32??3???1?3?Sin?????无结果 2?220?????1一级极大值 ??Sin?? 测量的数据也无结果。 结论:由于缝过小，狭缝的宽度小于光波波长，根据单缝干涉定理，整个观察屏被明纹覆盖，无极大极小值。 实验三:双缝干涉实验 一、 实验目的 掌握来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的影响。 二、 实验设备 S426型分光仪。 三、 实验步骤 1.仪器连接时，预先接需要调整双缝缝衍射板的缝宽; 2.将板子放到支座上，是狭缝平面与支座下面的小圆盘的某一刻线一致，此刻线应与工作平台上的90?刻度的一对线一致; 3.转动小平台，使固定臂的指针在小平台的180?处，此时小平台的0?就是狭缝平面的发现方向; 4.调节信号电平使表头指示接近满读; 5.从衍射角0开始，在双缝的两侧使衍射角每改变1度读取一次表头 读数，并记录下来。 四、实验原理 当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上，则每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波就是相干波，因此在金属板的后面空间中，将产生干涉现象。当然，光通过每个缝也有衍射现象。因此本实验是将衍射和干涉两者结合的结果。为了主要研究来自双峰的两书中央衍射波相互干涉的结果，这里假设吧、为双缝的间距，a为S1,S2双缝的宽度，a接近波长λ，例如:λ=3.2cm，a=4cm，这时单缝的一级极小衍射角接近53?，因此取较大的b，则干涉强度受单缝衍射的影响较小;反之，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响较大。 ???? , K=1,2??? 干涉加强的角度为:??Sin?K?a?b???1 ?1干涉减弱的角度为: ??Sin????2K?1?? , K=1,2??? 2a?b?? 五、实验结果: (1)双缝 a=40mm b=80mm λ=32mm 读出极小和极大值，并与理论值相比: ???? 带入 a=40mm b=80mm λ=32mm 极小 值 ??Sin?K?a?b???1 ?1极大值 ??Sin????2K?1?? 2a?b?? 实验室中的各种反射，人的走动有很大的影响;其次，双缝衍射板的精确度不高;仪器的喇叭天线可能没有完全对准。 (2)双缝 a=30mm b=70mm λ=32mm 读出极小和极大值，并与理论值相比: 极小值 1??Si?n?K?? ?? 带入 a=30mm b=70mm λ=32mm a?b??? ?1极大值 ??Sin????2K?1?? 2a?b?? 实验室中的各种反射，人的走动有很大的影响;其次，双缝衍射板的精确度不高;仪器的喇叭天线可能没有完全对准。 六、思考题 1.试阐述a、b的变化对干涉产生的影响; 答:由公式??可知，在b较大的情况下，增大a、b会减小级大干涉角和极小干涉角的角度;反之增大。当b不是较大的情况下，单缝衍射的极小可能会与双缝干涉的极大重合，导致极大消失。 2.假设b趋近于0，实验结果的变化趋势将如何, 答:当b趋近于0，实验结果的变化趋势将与单缝衍射的结果相类似。 七、实验心得与体会 电磁场与微波测量实验是由两个人组队的实验，通过本次试验，我们知道了同学之间互相合作的重要性。我们组两个个成员通过分工合作完成任务，实验的期间不断探讨哦问题，使得较为复杂的问题很快的得到了解决。本次实验不是很难，我们首先对实验课本上的东西进行预习，上课的时候认真听老师讲解，对实验有基本概念后小心仔细的进行了实验。由于准备得不错，本次实验的难点就在于重复的读数，很容易被干扰，读书变化，而且一不留神就容易读错数，所以我们要认真的实验，总体还是不错 的。