电磁场与微波测量实验

北京邮电大学电磁场与微波测量实验报告学院：班级：撰写人：组员：实验指导教师:实验一电磁波反射和折射实验一、实验目的1.熟悉S426型分光仪的使用方法；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，必定要发生折射，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；均匀平面波在有耗媒质中的传播；均匀平面波垂直入射理想导体表面的传播特性；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，两喇叭口面应相互正对，它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，拉起平台上的四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，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下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度的一对刻线一致。这是小平台上的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，这角度读数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。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。入射角取30至65度之间。五、实验原始数据及数据处理1.金属板全反射实验入射角（度）3035404550556065反射角（度）左侧24.531.438.24446.45358.765.8右侧33.837.24345.550.15559.866.5平均值29.234.340.644.848.35459.366.2入射角与反射角的差值（绝对值）0.80.70.60.21.710.71.2数据分析：从表格中的测量数据可以看出，测得的反射角与入射角有偏差。按照反射定律，反射角应该等于入射角。因此除了测量误差外，可能的原因是由于仪器的放置不够准确，例如两喇叭口面没有水平，活动臂并非水平等，造成了系统误差。当然，周围同时进行的实验也可能会对此造成误差。但从总体的数据走势上看，依然是满足反射定律的，即在一定的误差范围内，可以认为反射角等于入射角。2.观察介质板（玻璃板）上的反射和折射实验（总电流65μA）将金属板换做玻璃板，观察、测试电磁波在该介质板上的反射和折射现象，自行设计实验步骤和表格，计算反射系数和透射系数，验证透射系数和反射系数相加是否等于1。实验步骤参照金属板全反射实验，只需把金属板换成玻璃板，其余步骤类似。测量数据如下：入射角(度)3035404550556065反射角(度)22.530363946495759反射电流(μA)3636374250475145反射系数0.4620.5540.5690.6460.7690.7230.7840.692折射角(度)242832.8364246.55255折射电流(μA)252527252517149折射系数0.3850.3850.4150.3850.3850.2620.2150.138反射系数与折射系数之和0.8470.9390.9841.0311.1540.9850.9990.82数据分析：由上表可见，透射系数和反射系数相加并不严格等于1，而是在1左右波动，这可能是由于仪器误差以及环境影响，导致发射天线所发射的电磁波没有全部到达接收天线而引起的。当然实验也存在由于读数和操作而造成的误差，但在误差范围内，还是可以认为透射系数和反射系数相加等于1。六、思考题1.在衰减器旁边的螺钉有什么作用？答：衰减器旁边的螺钉主要是调节入射电磁波的能量强度，起调节波强的作用。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？答：相同之处是它们都遵循反射定律，即反射角等于入射角；不同之处是低频电磁波反射能量比较分散，而激光反射能量比较集中。3.测量反射角过程中，出现几次极大值，为什么？答：测量反射角过程中，应出现2次极大值，一次是因为发生全反射，一次是因为产生布儒斯特角，两次能量达到极大。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。答：透射系数与反射系数之和在1左右波动，在误差范围内可认为等于1。误差来源于仪器的系统误差、周围环境的影响、数据的读数误差、以及由于发射天线发射的电磁波没有全部到达接收天线因而在计算透射系数和反射系数时产生误差。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。二、实验设备与仪器S426型分光仪三、实验原理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1Sinφ，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：231Sinφ(如左图所示)四、实验内容与步骤仪器连接时，预先接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900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1800处，此时小平台的00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00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变20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。具体步骤：1.连接好系统，开启信号源。2.将单缝衍射板的缝宽a调整为70mm左右，将其安放在支座上，衍射板的边线与刻度盘上两个90°对齐；转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800处，此时小平台的00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。3.依次微调发射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射强度分布的中央极大位于0°；调节发射和接收衰减器，使中央极大值的信号电平处于80—90μΑ；在500的范围内转动接收天线，观察衍射强度分布，认为分布合理后开始测量。4.将微波分光仪的活动臂转到衍射角从衍射角00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变20读取一次表头读数，并记录下来。5.作出单缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线（以衍射角为横轴，电流值PI为纵轴），确定出极大和极小衍射角的实验值。五、实验原始数据及数据处理1.单缝衍射实验α=70㎜，λ=32㎜角度左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）010090288100492946998289564108060126248145037163834183024201872250.52421263282302325.534836538240542134413467481502525由此读出一级极小和一级极大值，并与理论值相比较：一级极小值1φSin=1Sin7032=27.20一级极大值231Sinφ=7032231Sin=43.30左右理论值测量值理论值测量值一级极小值27.2028027.20240一级极大值43.3044043.30无由以上可得实际值与理论基本符合，遵守了相同规律，测量值与理论值不同是由于实验存在误差，首先仪器产生的系统误差无法避免，其次在测量的时候产生的随机误差，最后在实验室中由于大家实验电磁波辐射相互干扰也造成较大误差。2.单缝衍射实验α=50㎜，λ=32㎜020406080100120角度261014182226303438424650左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）角度左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）0808028475493896947688060107057128264147061165855184244203227221914一级极小值1φSin=1Sin5032=39.80一级极大值231Sinφ=5032231Sin=73.70左右理论值测量值理论值测量值一级极小值39.8032039.80无一级极大值73.7046073.70无由以上可得实际值与理论有一定的差距，特别是一级大值，但是总体还是遵守了相同规律，出现的的不同是由于实验存在误差，首先仪器产生的系统误差无法避免，其次在测量的0102030405060708090100角度261014182226303438424650左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）24142618281630632034236438440242444124614484500521时候产生的随机误差，最后在实验室中由于大家实验电磁波辐射相互干扰也造成较大误差。3.单缝衍射实验α=20㎜，λ=32㎜角度左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）0202022417433146382483630102628122820144024164530183247201453221040241915261828223016326344361438314032428442466481850285216一级极小值1φSin=1Sin2032无结果一级极大值231Sinφ=2032231Sin无结果左右理论值测量值理论值测量值一级极小值无无无无一级极大值无无无无由于缝过小，狭缝宽度小于光波波长，根据单缝干涉定理，整个观察屏都被明纹覆盖了，观察实验结果符合理论。实验总结这次实验是我们第一次接触S426型分光仪，通过这两个比较简单的实验，我们了解了该仪器的原理和构造，学会了如何使用该仪器。两次实验都比较简单，难点在于重温习电磁波的反射、折射，衍射定理，其次主要是熟悉S426型分光仪的使用。另外本次实验实验组之间的相互干扰严重，实验仪器误差较大，应该认真的操作，细心的观察。0102030405060角度261014182226303438424650左侧衍射强度（uA）右侧衍射强度（uA）