電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書四川理工學(xué)院 2007.2“電磁場與電磁波”是工科電子類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。由于該課程核心的基本概念、基本理論和分析方法都非常重要，而且系統(tǒng)性、理論性很強(qiáng)，為此在學(xué)習(xí)本課程時(shí)，開設(shè)必要的實(shí)驗(yàn)，使抽象的概念和理論形象化、具體化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的興趣，對學(xué)生加深理解和深入掌握基本理論和分析方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力等方面，具有極大的好處。做好本課程的實(shí)驗(yàn)，是學(xué)好本課程的重要教學(xué)輔助環(huán)節(jié)。在做每個(gè)實(shí)驗(yàn)前，請務(wù)必閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和教材，弄懂實(shí)驗(yàn)原理，認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告；做完實(shí)驗(yàn)后，請務(wù)必寫出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果、心得

2、和體會等。目 錄實(shí)驗(yàn)一 電磁波反射實(shí)驗(yàn)3實(shí)驗(yàn)二 單縫衍射實(shí)驗(yàn)5實(shí)驗(yàn)三 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)7實(shí)驗(yàn)四 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)9實(shí)驗(yàn)五 偏振實(shí)驗(yàn) 11實(shí)驗(yàn)六 布拉格衍射實(shí)驗(yàn) 12實(shí)驗(yàn)一 電磁波反射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉S426型分光儀的使用方法2、掌握分光儀驗(yàn)證電磁波反射定律的方法 二、預(yù)習(xí)內(nèi)容 電磁波的反射定律三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器 S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反射，我們用一塊大的金屬板作為障礙物，測量當(dāng)電波以某一入射角投射到此金屬板上的反射角，驗(yàn)證電磁波的反射定律。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、熟悉分光儀的結(jié)構(gòu)和調(diào)整方法2、連接儀器，調(diào)整系統(tǒng)如圖1所示，儀器連接時(shí)，兩喇叭口面

3、應(yīng)互相正對，它們各自的軸線應(yīng)在一條直線上。指示兩喇叭位置的指針分別指于工作平臺的900刻度處，將支座放在工作平臺上，并利用平臺上的定位銷和刻線對正支座（與支座上刻線對齊）拉起平臺上四個(gè)壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后放下，即可壓緊支座。3、測量入射角和反射角反射全屬板放到支座上時(shí)，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的某一對刻線一致。而把帶支座的金屬反射板放到小平臺上時(shí)，應(yīng)使圓盤上的這對與金屬板平面一致的刻線與小平臺上相應(yīng)900刻度的一對刻線一致。這時(shí)小平臺上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。轉(zhuǎn)動小平臺，使固定臂指針指在某一角度處，這角度讀數(shù)就是入射角，然后轉(zhuǎn)動活動臂在表頭上找到一最大指示，此時(shí)活動臂上

4、的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣?。圖1 反射實(shí)驗(yàn)儀器的布置六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電磁波的反射定律。實(shí)驗(yàn)二 單縫衍射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针姶挪ǖ膯慰p衍射時(shí)衍射角對衍射波強(qiáng)度的影響二、預(yù)習(xí)內(nèi)容 電磁波單縫衍射現(xiàn)象三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)一平面波入射到一寬度和波長可比擬的狹縫時(shí)， a就要發(fā)生衍射的現(xiàn)象。在縫后面出現(xiàn)的衍射波強(qiáng)度并不是均勻的，中央最強(qiáng)，同時(shí)也最寬。在中央的兩側(cè)衍射波強(qiáng)度迅速減小，直至出現(xiàn)衍射波強(qiáng)度的最小值，即一級極小，此時(shí)衍射角為，其中是波長，a是 圖21 單縫衍射狹縫寬度。兩者取同一長度單位，然后，隨著衍射角增大，衍射波強(qiáng)度又逐漸增大，直至出現(xiàn)一級極大值，

5、角度為：(如圖21所示)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟如圖22所示，儀器連接時(shí)，預(yù)先接需要調(diào)整單縫衍射板的縫寬，當(dāng)該板放到支座上時(shí)，應(yīng)使狹縫平面與支座下面的小圓盤上的某一對刻線一致，此刻線應(yīng)與工作平臺上的900刻度的一對線一致。轉(zhuǎn)動小平臺使固定臂的指針在小平臺的1800處，此時(shí)小平臺的00就是狹縫平面的法線方向。這時(shí)調(diào)整信號電平使表頭指示接近滿度。然后從衍射角00開始，在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變10讀取一次表頭讀數(shù)，并記錄下來。圖22 單縫衍射實(shí)驗(yàn)儀器的布置六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，畫出單縫衍射強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系曲線，根據(jù)微波波長和縫寬算出一級極小和一級極大的衍射角，與實(shí)驗(yàn)曲線上求得的一級極小和極大的

6、衍射角進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)三 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諄碜噪p縫的兩束中央衍射波相互干涉的影響二、預(yù)習(xí)內(nèi)容 電磁波雙縫干涉現(xiàn)象三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理 a 當(dāng)一平面波垂直入射到一金屬板的兩條狹線，則每一條狹鍵就是次級波波源。由兩縫發(fā)出的次級 b波是相干波，因此在金屬板的背后面空間中，將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)然，光通過每個(gè)縫也有衍射現(xiàn)象。因此實(shí)驗(yàn)將是衍射和干涉兩者結(jié)合的結(jié)果。為了只研究主要是由于來自雙縫的兩束中央衍射波相互干涉的結(jié)果，令雙縫的縫寬a接近，例如：=32mm， aa=40mm，這時(shí)單縫的一級極小接近530。因此取較大的 圖31 雙縫干涉b，則干涉強(qiáng)度受縫衍射的影響小，當(dāng)b較小

7、時(shí)，干涉強(qiáng)度受單縫衍射影響大（如圖31所示）。干涉加強(qiáng)的角度為：，式中K=l、2、；干涉減弱的角度為：式中K=l、2、。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟如圖32所示，儀器連接時(shí)，預(yù)先接需要調(diào)整雙縫縫衍射板的縫寬，當(dāng)該板放到支座上時(shí)，應(yīng)使狹縫平面與支座下面的小圓盤上的某一對刻線一致，此刻線應(yīng)與工作平臺上的900刻度的一對線一致。轉(zhuǎn)動小平臺使固定臂的指針在小平臺的1800處，此時(shí)小平臺的00就是狹縫平面的法線方向。這時(shí)調(diào)整信號電平使表頭指示接近滿度。然后從衍射角00開始，在雙縫的兩側(cè)使衍射角每改變10讀取一次表頭讀數(shù)，并記錄下來。由于衍射板橫向尺寸小，所以當(dāng)b取得較大時(shí)，為了避免接收喇叭直接收到發(fā)射喇叭的發(fā)射波

8、或通過板的邊緣過來的波，活動臂的轉(zhuǎn)動角度應(yīng)小些。圖32 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)儀器的布置六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，驗(yàn)證干涉加強(qiáng)和干涉減弱時(shí)的角度特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)四 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆掌矫娌ㄩL的測量方法二、預(yù)習(xí)內(nèi)容邁克爾遜干涉現(xiàn)象三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的基本原理見圖41，在平面波前進(jìn)的方向上放置成450的半透射板。由于該板的作用，將入射波分成兩束波，一束向A方向傳播，另一束向B方向傳播。由于A、B處全反射板的作用，兩列波就再次回到半透射板并到達(dá)接收喇叭處。于是接收喇叭收到兩束同頻率，振動方向一致的兩個(gè)波。如果這兩個(gè)波的位相差為2的整數(shù)倍。則干涉加強(qiáng)；當(dāng)位相差為

9、的奇數(shù)倍則干涉減弱。因此在A處放一固定板，讓B處的反射板移動，當(dāng)表頭指示從一次極小變到又一次極小時(shí)，則 B處的反射板就移動2的距離因此有這個(gè)距離就可求得平面波的波長。 A(固定反射板) 發(fā)射喇叭B(可移反射板) 接收喇叭 圖41 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)原理五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟如圖42所示，使兩喇叭口面互成900。半透射板與兩喇叭軸線互成450，將讀數(shù)機(jī)構(gòu)通過它本身上帶有的兩個(gè)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。實(shí)驗(yàn)時(shí)。將可移反射板移到讀致機(jī)構(gòu)的一端，在此附近測出一個(gè)極小的位置，然后旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機(jī)構(gòu)上的手柄使反射扳移動，

10、從表頭上測出（n1）個(gè)極小值，并同時(shí)從讀數(shù)機(jī)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。圖42 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)儀器的布置六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，計(jì)算平面波波長。實(shí)驗(yàn)五 偏振實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、培養(yǎng)綜合性設(shè)計(jì)電磁波實(shí)驗(yàn)方案的能力2、驗(yàn)證電磁波的馬呂斯定律二、預(yù)習(xí)內(nèi)容線極化波的相關(guān)概念和電磁波的馬呂斯定律三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理平面電磁波是橫波，它的電場強(qiáng)度矢量E和波長的傳播方向垂直。如果E在垂直于傳播方向的平面內(nèi)沿著一條固定的直線變化，這樣的橫電磁波叫線極化波。在光學(xué)中也叫偏振波。偏振波電磁場沿某一方向的能量有的關(guān)系。這就是光學(xué)中的馬呂斯定律：，式中I

11、為偏振光的強(qiáng)度，是I與I0間的夾角。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、設(shè)計(jì)利用S426型分光儀驗(yàn)證電磁波馬呂斯定律的方案；2、根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，布置儀器，驗(yàn)證電磁波的馬呂斯定律。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)的方案，記錄測量的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證馬呂斯定律。實(shí)驗(yàn)六 布拉格衍射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、培養(yǎng)綜合性設(shè)計(jì)電磁波實(shí)驗(yàn)方案的能力2、驗(yàn)證電磁波的布拉格方程二、預(yù)習(xí)內(nèi)容布拉格方程和布拉格衍射現(xiàn)象三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備S426型分光儀四、實(shí)驗(yàn)原理任何的真實(shí)晶體，都具有自然外形和各向異性的性質(zhì)，這和晶體的離子、原子或分子在空間按一定的幾何規(guī)律排列密切相關(guān)。晶體內(nèi)的離子、原子或分子占據(jù)著點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)，兩相鄰結(jié)點(diǎn)的距離叫晶體的晶格常數(shù)。真實(shí)晶體的晶格常數(shù)約在10-8厘米的數(shù)量級。X射線的波長與晶體的常數(shù)屬于同一數(shù)量級。實(shí)際上晶體是起著衍射光柵的作用。因此可以利用X射線在晶體點(diǎn)陣上的衍射現(xiàn)象來研究晶體點(diǎn)陣的間距和相互位置的排列，以達(dá)到對晶體結(jié)構(gòu)的了解。仿照X射線入射真實(shí)晶體發(fā)生衍射的基本原理，人為制做了一個(gè)方形點(diǎn)陣的模擬晶體，以微波代替X射線，使微波向模擬晶體入射，觀察從不同晶面上點(diǎn)陣的反射波產(chǎn)生干涉應(yīng)符合的條件。這個(gè)條件就是布拉格方程：當(dāng)波長為的平面波射到間距為a的晶面上，入射角為，當(dāng)