北邮电磁场与电磁波测量实验报告1反射折射单缝

北京邮电大学电磁场与电磁波测量实验实验报告实验内容：电磁波反射和折射实验单缝衍射实验学院：电子工程学院班级：2010211203班组员：崔宇鹏张俊鹏章翀郑春辉孔繁强2013年4月9日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，金属板，玻璃板三、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。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。图1反射实验仪器的布置如图1所示，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，这角度读书就是入射角，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。如果此时表头指示太大或太小，应调整衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。做此项实验，入射角最好取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。五、实验数据与处理1.金属板全反射实验实验数据及处理如下表1所示。入射角（度）3035404550556065反射角（度）左侧23.930.435.044.050.055.061.065.1右侧23.231.035.044.949.554.261.064.3平均值（度）23.5530.735.044.4549.7554.661.064.7入射角与反射角绝对差值（度）6.454.35.00.550.250.41.00.3表1金属板全反射实验数据表2.玻璃板上的反射和折射实验实验数据及处理如下表2所示。入射波强对应的电流值：77μA入射角（度）30354045505565反射角（度）26.933.539.146.148.058.964.0折射角（度）19.221.327.835.039.346.249.1反射电流强度（μA）69687074707354折射电流强度（μA）151691110712反射系数0.8960.8830.9090.9610.9090.9480.701透射系数0.1950.2080.1170.1430.1300.0910.156反射、透射系数之和1.0911.0911.0261.1041.0391.0390.857表2玻璃板上的反射和折射实验数据表六、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，且均比1大，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；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。3.测量反射角过程中，出现几次极大值？为什么。两次，因为反射波聚拢度低，传输过程中分散成更小波束，相互之间会产生干涉，因此会出现两次峰值。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。微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。因此用微波作光波波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的。由于微波的波长比光波的波长在量级上差一万倍左右，因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观、方便和安全，所需要设备制造也较容易。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、实验仪器S426型分光仪，单缝衍射实验板三、实验原理如图2所示，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1Sinminφ，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：。132Sinmaxφaφ图2单缝衍射原理实验仪器布置如图3，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。图3单缝衍射实验仪器的布置四、实验内容与步骤实验中分别使用缝宽a=70mm、50mm、20mm的单缝衍射板进行实验，电磁波的波长均为32mm。实验数据表格如下表3。角度（度）a=70mma=50mma=20mm左侧强度（μA）右侧强度（μA）左侧强度（μA）右侧强度（μA）左侧强度（μA）右侧强度（μA）0929092908282284888688681004748678786010066780686860868636062607062105640586068421246265066504014382244644876163018406054741815102238585420531014521622116234424106020122610622052280062030663001522323632042824834040114036050110543822222626401032424242102340304428062024641601228486101164385042241240522020142表3单缝衍射实验数据表根据以上实验数据，绘制单缝衍射的相对强度与衍射角的关系曲线，按照三种缝宽分别绘制，曲线图如下图4至图6。图4衍射强度与角度关系曲线（a=70mm）图5衍射强度与角度关系曲线（a=50mm）01020304050607080901000481216202428323640444852衍射强度/μA角度/度a=70mm左侧强度（μA）a=70mm右侧强度（μA）01020304050607080901000481216202428323640444852衍射强度/μA角度/度a=50mm左侧强度（μA）a=50mm右侧强度（μA）图6衍射强度与角度关系曲线（a=20mm）由于在第三组实验中，缝宽a=20mm小于波长，此时不存在衍射，从图像上也可以看出与前两组差别较大。根据表格和图像得到的数据，分析实验的前两组（a=70mm和a=50mm）一级极大、一级级小与理论值的差异，比较结果如下两张表格所示。a=70mm理论数据实验数据图像数据左侧右侧左侧右侧左侧右侧一级极大（度）43.343.348.046.048.046.0一级级小（度）27.227.232.026.028.026.0表4缝宽70mm时实验数据与理论值比较a=50mm理论数据实验数据图像数据左侧右侧左侧右侧左侧右侧一级极大（度）73.773.7无48.0无48.0一级级小（度）39.839.836.036.036.036.0表5缝宽50mm时实验数据与理论值比较从比较结果中可以看到，实验数据大体上可以和理论值相符合，其中存在的一些细微差异是难以避免的误差导致的，本实验的误差来源与上一实验大体相同。0204060801001200481216202428323640444852衍射强度/μA角度/度a=20mm左侧强度（μA）a=20mm右侧强度（μA）五、实验总结本次实验我们进行了电磁波的反射和单缝衍射实验，主要实验仪器为S426型分光仪，我们初步学习并认识了这套器材，并进一步体会和巩固了电磁波的若干物理特性，实验中充分做到了实验与理论知识的结合与对比，并从中反思了实验误差的来源，为后续更为复杂的实验奠定了基础。