中南大學電磁場與電磁波實驗報告

1、電磁場與電磁波實驗報告姓名： 學號： 班級： 實驗一 電磁波反射實驗一、實驗?zāi)康?. 掌握微波分光儀的基本使用方法；2. 了解3cm信號源的產(chǎn)生、傳輸及基本特性3. 驗證電磁波反射定律。二、實驗原理 反射光一側(cè)的電流值代表反射光的強度，所以反射角的位置由反射光一側(cè)最大電流確定。 三、實驗內(nèi)容與步驟1.校準儀器，使兩喇叭口對正2.固定反射板3.設(shè)置信號源4.調(diào)節(jié)可變衰減器5.設(shè)置波的頻率6.改變?nèi)肷浣墙嵌?，將測量結(jié)果記錄下來步驟1中：對正具體做法是：保證軸線在一條直線（指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺的0-180刻度處），不斷調(diào)整喇叭口朝向，使電流表的讀數(shù)最大。步驟2中：使金屬板平面與小圓盤

2、上的90-90刻線對齊，使小平臺上的0刻度就與金屬板的法線方向一致。步驟3中：打開信號源開關(guān)，將三厘米固態(tài)信號源設(shè)置在:“電壓”和“等幅”檔，電壓設(shè)置為12V.步驟4中：使活動臂上微安表的讀數(shù)為滿量程的80%左右。步驟5中：調(diào)節(jié)可變衰減器一側(cè)的旋鈕，使頻率符合實驗要求（9.37GHz、8.8GHz）步驟6中：轉(zhuǎn)動微波分光儀的小平臺，使固定臂指針指在刻度為30度處（即入射角），然后由左向右轉(zhuǎn)動活動臂，使得表頭指示最大，此時即為反射角度數(shù)，記下該角度讀數(shù)。然后分別將固定臂指針指在刻度為40度、45度、50度、60度、80度處，重復上述操作，并記下相應(yīng)的反射角讀數(shù)。四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理（1）入射角

3、（度）測量角度(度)/該角度處的電流表讀數(shù)(uA)反射角（度）第一次測量第二次測量第三次測量第四次測量第五次測量3032.5/77 uA32/80 uA32/80 uA31/60 uA30.5/62 uA31.84041 /79 uA39/78 uA40/82 uA39/62 uA42/58 uA40.44543.5/81 uA45/85 uA45.5/85 uA42.5/65 uA46/63 uA445048 /80 uA47/90 uA47/90 uA51/58 uA52.5/68 uA496058 /92 uA58/98 uA58/92 uA60.5/67 uA60/65 uA58.8（

4、2）入射角（度）測量角度(度)/該角度處的電流表讀數(shù)(uA)反射角（度）第一次測量第二次測量第三次測量第四次測量第五次測量3028.5/5830.5/5829/6031.5/5829.5/6129.84041/6139.5/6139/6238/6242/6039.94545/6245.5/6246.5/6243.5/5947/58.545.55047/6249.5/6651/5848.5/57.552/5849.66058/7661/7260.5/5959/6162.5/6660.2五、實驗分析（1）由多次測量取平均值的實驗結(jié)果來看，在誤差允許的范圍內(nèi)，入射角等于反射角，驗證了反射定律。（2）

5、引起誤差的主要原因，除了客觀因素（實驗器材本身）和人為因素（讀數(shù)不準確）外，還包括1.實驗開始時喇叭口校準不到位2.實驗過程中不小心造成的已校準過的喇叭口的偏移3.來自其他實驗組的干擾（3）實驗過程中測量所得的角度是反射光最強的處對應(yīng)的角度，角度的偏差是由（3）中所述的誤差原因造成的。（4）實驗過程中測量所得的電流表讀數(shù)是在反射光一側(cè)的電流最大值，代表反射光的強度。反射光在傳播過程中會有損耗，所以反射光強度不嚴格等于入射光的情況是合理存在的。若反射光強度大于入射光強度，極可能是其他實驗組產(chǎn)生干擾而造成的。實驗二 單縫衍射實驗一、實驗?zāi)康?了解微波分光儀的結(jié)構(gòu)，學會調(diào)整它并能用它進行實驗；2進一

6、步認識電磁波的波動性，測量并驗證單縫衍射現(xiàn)象的規(guī)律。二、實驗原理當一平面波入射到一寬度和波長可比擬的狹縫時，就要發(fā)生衍射的現(xiàn)象。在縫后面出現(xiàn)的衍射波強度并不是均勻的，中央最強，同時也最寬。在中央的兩側(cè)衍射波強度迅速減小，直至出現(xiàn)衍射波強度的最小值，即一級極小，此時衍射角為，其中是波長，是狹縫寬度。兩者取同一長度單位，然后，隨著衍射角增大，衍射波強度又逐漸增大，直至出現(xiàn)一級極大值，角度為： 。圖2.2 單縫衍射儀器配置三、測量方法與步驟1.調(diào)節(jié)可變衰減器，設(shè)置一個合適的頻率2.調(diào)節(jié)衍射版縫寬 遵循縫寬和波長可比擬的原則，其中波長為c/f（f為1中設(shè)置的頻率，c取真空中的光速）3.固定衍射版 將單

7、縫衍射板安放在刻度盤上，衍射板的邊線與刻度盤上兩個90°對齊4.校準儀器，使兩喇叭口對正調(diào)整發(fā)射天線使其和接收天線對正。轉(zhuǎn)動刻度盤使其180°的位置正對固定臂（發(fā)射天線）的指針，轉(zhuǎn)動可動臂（接收天線）使其指針指著刻度盤的0°處，使發(fā)射天線喇叭與接收天線喇叭對正。依次微調(diào)發(fā)射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射強度分布的中央極大位于0°5.改變衍射角角度，將測量結(jié)果記錄下來將微波分光儀的活動臂轉(zhuǎn)到衍射角為50°后開始讀數(shù)，衍射角每改變2°讀取一次微安表的讀數(shù)并作好記錄，一直讀到衍射角為50°。四、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理1.單縫衍射單縫寬

8、a =50mm，微波波長=32mm-50-48-46-44-42-40-38-36-34-32-30-28-26024400210261212-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20142652666670706678901009898246810121416182022242680888877504448488623081018283032343638404244464850522210241318182230246112、由實驗數(shù)據(jù)繪制曲線。3、從上面的曲線可以讀出一級極小和一級極大值（度），并同理論值進行比較左右理論值測量值理論值測量值一級極小值39.79343

9、9.7932一級極大值73447346五、實驗分析由實驗數(shù)據(jù)觀察可知，可以發(fā)現(xiàn)當一平面波入射到和波長可比擬的狹縫時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，并且縫后面的衍射波強度并不是均勻的，中央最強，也最寬，在中央的兩側(cè)衍射波強度迅速減小。在誤差允許的范圍內(nèi)，符合單縫衍射現(xiàn)象的規(guī)律 實驗的誤差主要來自三個方面：1、環(huán)境因素：由于實驗室同時有多臺實驗裝置同時進行實驗，電磁波的衍射反射折射導致的相互間的電磁波干擾較大，所以環(huán)境因數(shù)時刻隨著周圍同學的實驗過程在變，導致了一些測量的不規(guī)律波動，產(chǎn)生誤差2、實驗裝置因素：實驗裝置沒有校準好就進行實驗，導致一些系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，比如，我們組的實驗儀器的發(fā)射器就出現(xiàn)了發(fā)射器的喇叭沒

10、有與固定臂調(diào)整完全平行，導致測量角度普遍存在與實際值的偏差，在后來重新校準后測量結(jié)果才精確。3、人為因素：由于實驗室的環(huán)境因素的影響，導致接收電流一直在某個讀數(shù)附近波動，無法穩(wěn)定，給我們的讀數(shù)照成一定的誤差。衰減器調(diào)整要適當，太小則觀察不便，太大則可能使電流表指針滿偏。為保證實驗結(jié)果能與理論結(jié)果進行比較，開始測量前要反復調(diào)整儀器、觀察衍射強度分布，盡可能將中央極大值的位置調(diào)整在0°處。實驗三 自由空間中電磁波參量的測量一、實驗?zāi)康?.了解電磁波的空間傳播特性；2. 通過對電磁波波長、波幅、波節(jié)的測量進一步認識和了解電磁波。二、實驗原理當兩個頻率相同、振動方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)

11、出的波疊加時，在空間總會有一些點的振動始終加強，而另一些點的振動始終減弱或完全抵消，因而形成干涉現(xiàn)象。B（可移反射板）發(fā)射喇叭接收喇叭A（固定反射板）邁克爾遜干涉原理若固定金屬板A，移動金屬板B，只改變第二列波的波程，讓兩列波發(fā)生干涉，當合成波振幅最大時，可得：當合成波振幅最小時，可得：由最大振幅到最小振幅的最短波程差為。若移動金屬板的距離為，則有。實驗中，為了提高測量波長的精確度，測量多個極小值的位置，設(shè)為第一個極小值的位置，為第（n+1）個極小值的位置，則波長。三、實驗步驟1、連接儀器按下圖連接儀器。2、校正儀器使兩喇叭口面互成90度。3、固定半透射板半透射板與兩喇叭軸線互成45度。4、固

12、定反射板將讀數(shù)機構(gòu)通過它本身上帶有的兩個螺釘旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法線與接受喇叭的軸線一致，可移反射板的法錢與發(fā)射喇叭軸線一致。5、調(diào)節(jié)衰減器按信號源操作規(guī)程接通電源，調(diào)節(jié)衰減器使信號電平讀數(shù)指示合適值。6、移動反射板，讀數(shù)將可移反射板移到讀數(shù)機構(gòu)的一端，在此附近測出一個極小的位置，然后旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機構(gòu)上的手柄使反射板移動，從表頭上測出（n1）個極小值，并同時從讀數(shù)機構(gòu)上得到相應(yīng)的位移讀數(shù)，從而求得可移反射板的移動距離L，則波長五、實驗數(shù)據(jù)記錄第一最小點第二最小點第三最小點第四最小點最小點位置16324865最大點位置9254158六、實驗分析1. 根據(jù)實驗測得

13、數(shù)據(jù)，計算信號源波長為：2. 相關(guān)公式計算出信號源的其它參數(shù)相位常數(shù) 波速頻率3.誤差分析：環(huán)境因素：由于實驗室同時有多臺實驗裝置同時進行實驗，電磁波的衍射反射折射導致的相互間的電磁波干擾較大，所以環(huán)境因數(shù)時刻隨著周圍同學的實驗過程在變，導致了一些測量的不規(guī)律波動，產(chǎn)生誤差實驗裝置因素：（1）實驗裝置沒有校準好就進行實驗，導致一些系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，比如，我們組的實驗儀器的發(fā)射器就出現(xiàn)了發(fā)射器的喇叭沒有與固定臂調(diào)整完全平行，導致測量角度普遍存在與實際值的偏差，在后來重新校準后測量結(jié)果才精確。（2）發(fā)射天線和接收天線不能調(diào)到絕對的水平和垂直，反射金屬板不是絕對的平面，讀數(shù)機構(gòu)不能穩(wěn)穩(wěn)地固定在底座上。

14、人為因素：由于實驗室的環(huán)境因素的影響，導致接收電流一直在某個讀數(shù)附近波動，無法穩(wěn)定，給我們的讀數(shù)照成一定的誤差。4.減小誤差的方法：（1）選定合適的實驗儀器。（2）嚴格按照實驗步驟、方法操作。（3）熟練掌握各種測量器具的使用方法，準確讀數(shù) （4）改進測量方法（5）對儀器進行嚴格的校對、調(diào)整。實驗四 均勻無耗媒質(zhì)參量的測量一 實驗?zāi)康?. 利用電磁波的干涉原理，研究均勻無耗媒質(zhì)參量的測量方法；2. 熟悉均勻無耗媒質(zhì)分界面對電磁波的反射和透射特性。二 實驗原理B(可移反射板)發(fā)射喇叭接收喇叭A(固定反射板)半透射板待測介質(zhì)板圖4.1 介質(zhì)參數(shù)測量原理圖在上一個實驗的基礎(chǔ)上，在固定反射板前放一塊待測

15、介質(zhì)板，其相對介電常數(shù)為，厚度為d，這樣固定反射板的電磁波的波程差將會增加，為了得到新的極小點位置，必需將可移動反射板向右移，待測介質(zhì)板的相對介電常數(shù)與之間滿足：。三 實驗步驟1、連接實驗儀器2、校正儀器使兩喇叭口面互成90度。3、固定半透射板半透射板與兩喇叭軸線互成45度。4.固定待測介質(zhì)板和反射板在固定反射板前，放一塊待測介質(zhì)板，必須緊貼固定反射板。將讀數(shù)機構(gòu)通過它本身上帶有的兩個螺釘旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法線與接受喇叭的軸線一致，可移反射板的法錢與發(fā)射喇叭軸線一致。5. 向右調(diào)節(jié)可移動反射板，使得電表指示讀數(shù)達到新的最小值，并記錄此時最小點位置讀數(shù)。該讀數(shù)與未加介質(zhì)板時的讀數(shù)相減，得到一個，連續(xù)移動可移動反射板，得到若干個值，取算術(shù)平均值，得到一個較為準確的。6.用卡尺測量待測介質(zhì)板的厚度。五 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理1、介質(zhì)板1的厚度： d=（ 4 ）（mm）極小點個數(shù)1234平均值新極小點位置（mm）621375329.25原極小點位置（mm）1632486540.25極小點位置偏移量（mm）1011111211介質(zhì)的14.062514.062514.062