电磁波的单缝衍射实验、双缝干涉实验

第1页共6页课程名称：电磁场与电磁波实验题目：单缝衍射实验、双缝干涉实验一、实验目的和任务1.研究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不是均匀的，中央最强；2.研究当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线上，则每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。二、实验仪器及器件表2.1实验仪器列表仪器名称型号数量备注1分度转台DH9261台2喇叭天线1对33厘米固态信号发生器1台4晶体检波器1个5可变衰减器1个6微安表1个7读数机构1个8支座、支柱、视频电缆、介质板等附件若干三、实验内容及原理1）单缝衍射实验的原理实验的原理见图1：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。在缝后面将出现的衍射波强度不是均匀的，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，此时的衍射角为φ=sin−1(λ/a)，其中𝜆是波长，𝑎是狭缝宽度。两者取同一单位长度，然后，随着衍射角增大，衍射波宽度又逐渐增大，直至一级极大值，角度为φ=sin−1[(3⁄2)(λ/a)]。2）双缝干涉实验的原理见图2：当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上时，则每成绩第2页共6页一条狭缝就是次级波波源。由于两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板背后面的空间中，将产生干涉现象。当然，电磁波通过每个缝也有狭缝现象。因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。为了研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射相互干涉的结果，令双缝的缝宽𝑎接近𝜆，例如：𝜆=32mm，𝑎=40mm，这时单缝的一级极小接近53∘。因此，取较大的𝑏则干涉强度受单缝衍射影响大。干涉加强的角度为𝜑=𝑠𝑖𝑛−1(𝑘⋅𝜆𝑎+𝑏),𝑘=1,2,…干涉减弱的角度为𝜑=𝑠𝑖𝑛−1(2𝑘+12⋅𝜆𝑎+𝑏),𝑘=1,2,…图1单缝衍射实验图2双缝衍射实验四、实验步骤单缝衍射实验步骤1：根据图3，连接仪器。调整单缝衍射板的缝宽。步骤2：把单缝板放在支座上，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻度线相一致，此刻线应与工作平台上的90∘刻度的一对刻线对齐。步骤3：转动小平台，使固定臂的指针指在小平台的180∘线处，此时小平台的0∘线就是狭缝平面的法线方向。步骤4：调整信号电平，使活动臂上的微安表示数接近满度。从衍射角0∘开始，在单缝的两侧，衍射角每改变1∘，读取微安表示数，并记录下来。步骤5：画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线。双缝干涉实验实验步骤与单缝衍射实验的一样，但所用的是双缝板而不是单缝板。五、实验测试数据表格记录表1单缝衍射实验的数据记录表第3页共6页入射角（度）-52-50-48-46-44-42-40-38-36微安表读数125320121入射角（度）-34-32-30-28-26-24-22-20-16微安表读数1000013816入射角（度）-14-12-10-8-6-4-202微安表读数141824303645544641入射角（度）468101214162022微安表读数383327221612821入射角（度）242628303234363840微安表读数001011111入射角（度）424446485052微安表读数234200表2双缝干涉实验的数据记录表入射角（度）-50-48-46-44-42-40-38-36-34微安表读数00241212661入射角（度）-32-30-28-26-24-22-20-18-16微安表读数1613181841618入射角（度）-14-12-10-8-6-4-202微安表读数202524161014515038入射角（度）468101214161820微安表读数2319213218821入射角（度）222426283032343638第4页共6页微安表读数313161462244入射角（度）404244464850微安表读数5108530六、实验数据分析及处理图6.1单缝衍射实验I关系曲线在单缝衍射实验中，已知𝜆=32mm，𝑎=70mm，因此可以得到：第一级暗纹中心为9.23)(sin1a第一级亮纹中心为1.48)23(sin1a在图6.1的左半部，单缝衍射的第一级暗纹中心在-25∘附近；右半部，零级极大在24∘附近。在图6.1的右半部，单缝衍射的第一级亮纹中心在-50∘附近；右半部，零级极大在49∘附0102030405060-60-40-200204060单缝衍射实验第5页共6页近。图6.2双缝干涉实验I关系曲线在双缝干涉实验中，已知𝜆=32mm，𝑎=40mm，𝑏=130mm，则有：干涉加强发生的角度为)b(sin1aK第一级亮纹中心为8.10)17032(sin1第二级亮纹中心为1.22)170322(sin1第三级亮纹中心为4.34)170323(sin1干涉减弱发生的角度为)b21K2(sin1a第零级暗纹中心为4.5)1703221(sin1第一级暗纹中心为4.16)1703223(sin10102030405060-60-40-200204060双缝干涉实验第6页共6页第二级暗纹中心为28)1703225(sin1图6.2的左半部双缝干涉减弱发生在-5∘，-20∘，-30∘附近，增强发生在-10∘，-20∘，-40∘附近；图6.2的左半部双缝干涉减弱发生在8∘，20∘，28∘附近，增强发生在10∘，22∘，40∘附近；可见，实际情况与理论基本相近。误差可能原因有以下几点:1、由于实验对周围环境要就较高，而实验室人太多，导致反射过多，手臂的晃动对度数的大小都有影响，所以很可能对度数造成了误差;2、由于双缝衔射板的度数不是很精确，调双缝宽度的时候可能造成较大的误差;3、仪器的喇叭天线有些松动，旋转转动臂时可能因晃动而造成误差。七、实验结论与感悟（或讨论）1、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不是均匀的，中央最强；当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线上，则每一条狭缝就是次级波波源。由两缝发出的次级波是相干波，因此在金属板的背后面空间中，将产生干涉现象。并学会了通过单缝衍射与双缝衍射的I-α曲线图计算波源波长2、实验的精确性难以控制。双缝干涉实验当中，由于干涉板并不能做到严格与出射电磁波波波矢垂直，导致干涉图样在正负两端不对称，使得干涉极大值和极小值所对应角度和理论值的百分差相对较大，这在本实验中表现的相当明显，以致可以较大影响到实验结果的精确度。3、由于环境因素造成的误差，比如靠墙，周围障碍物多，其他仪器发射电磁波，测量过程中人员走动等等，都会影响实验结果。