2023年微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

指導(dǎo)教師：?? ?? ? ? ???得分：實(shí)驗(yàn)時(shí)間:２0２3年1１月２3日，第十三周,周一,第5-8節(jié)實(shí)驗(yàn)者:班級(jí)材料0705學(xué)號(hào)姓名童凌煒同組者:班級(jí)材料0705學(xué)號(hào)姓名車宏龍實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：綜合樓503實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)溫度℃，相對(duì)濕度%，室內(nèi)氣壓實(shí)驗(yàn)題目：?? 微波光學(xué)實(shí)驗(yàn) ? 實(shí)驗(yàn)儀器：(注明規(guī)格和型號(hào))微波分光儀,反射用金屬板，玻璃板，單縫衍射板實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解微波分光儀的結(jié)構(gòu),學(xué)會(huì)調(diào)整并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．驗(yàn)證反射規(guī)律運(yùn)用邁克爾孫干涉儀方法測(cè)量微波的波長(zhǎng)測(cè)量并驗(yàn)證單縫衍射的規(guī)律運(yùn)用模擬晶體考察微波的布拉格衍射并測(cè)量晶格數(shù)實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)述：反射實(shí)驗(yàn)

電磁波在傳播過程中假如碰到反射板,必然要發(fā)生反射.本實(shí)驗(yàn)室以一塊金屬板作為反射板,來研究當(dāng)電磁波以某一入射角投射到此金屬板上時(shí)所遵循的反射規(guī)律。

邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)

在平面波前進(jìn)的方向上放置一塊４5°的半透半反射版,在此板的作用下，將入射波提成兩束，一束向Ａ傳播，另一束向B傳播.由于A,B兩板的全反射作用,兩束波將再次回到半透半反板并達(dá)成接受裝置處,于是接受裝置收到兩束頻率和振動(dòng)方向相同而相位不同的相干波，若兩束波相位差為２π的整數(shù)倍,則干涉加強(qiáng);若相位差為π的奇數(shù)倍,則干涉減弱。?單縫衍射實(shí)驗(yàn)

如圖，在狹縫后面出現(xiàn)的顏射波強(qiáng)度并不均勻，中央最強(qiáng),同時(shí)也最寬,在中央的兩側(cè)顏射波強(qiáng)度迅速減小，直至出現(xiàn)顏射波強(qiáng)度的最小值，即一級(jí)極小值,此時(shí)衍射角為φ＝ａrcsiｎ(λ/a）.然后隨著衍射角的增大衍射波強(qiáng)度也逐漸增大,直至出現(xiàn)一級(jí)衍射極大值，此時(shí)衍射角為Φ=aｒcsiｎ(3/２*λ／a),隨著衍射角度的不斷增大會(huì)出現(xiàn)第二級(jí)衍射極小值，第二級(jí)衍射極大值,以此類推。?微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)?當(dāng)X射線投射到晶體時(shí),將發(fā)生晶體表面平面點(diǎn)陣散射和晶體內(nèi)部平面點(diǎn)陣的散射,散射線互相干涉產(chǎn)生衍射條紋,對(duì)于同一層散射線,當(dāng)滿足散射線與晶面見尖叫等于掠射角θ時(shí)，在這個(gè)方向上的散射線,其光程差為0,于是相干結(jié)果產(chǎn)生極大,對(duì)于不同層散射線,當(dāng)他們的光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),則在這個(gè)方向上的散射線互相加強(qiáng)形成極大,設(shè)相鄰晶面間距為d,則由他們散射出來的X射線之間的光程差為CＤ+BD=2dsｉnθ，當(dāng)滿足2ｄｓｉnθ=Kλ,K＝1,２，3…時(shí)，就產(chǎn)生干涉極大.這就是布拉格公式,其中θ稱為掠射角,λ為Ｘ射線波長(zhǎng).運(yùn)用此公式,可在d已測(cè)時(shí),測(cè)定晶面間距;也可在ｄ已知時(shí),測(cè)量波長(zhǎng)λ，由公式還可知，只有在<2d時(shí),才會(huì)產(chǎn)生極大衍射?實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)簡(jiǎn)述:反射實(shí)驗(yàn)

1．１將微波分光儀發(fā)射臂調(diào)在主分度盤１80°位置,接受臂調(diào)為０°位置．

1．２啟動(dòng)三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)射器電源，這時(shí)微安表上將有指示，調(diào)節(jié)衰減器使微安表指示滿刻度.

1.3將金屬板放在分度小平臺(tái)上,小分度盤調(diào)至0°位置,此時(shí)金屬板法線應(yīng)與發(fā)射臂在同一直線上，?1.4轉(zhuǎn)動(dòng)分度小平臺(tái)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度后,再轉(zhuǎn)動(dòng)接受臂,使接受臂和發(fā)射臂處在金屬板的同義詞,并使接受指示最大,記下此時(shí)接受臂的角度.

1.５由此，擬定反射角,驗(yàn)證反射定律,實(shí)驗(yàn)中入射角在允許范圍內(nèi)任?。?jìng)€(gè)數(shù)值，測(cè)量微波的反射角并記錄.?邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)

2.1將發(fā)射臂和接受臂分別置于90°位置，玻璃反射板置于分度小平臺(tái)上并調(diào)在45°位置,將兩塊金屬板分別作為可動(dòng)反射鏡和固定反射鏡.?2．2兩金屬板法線分別在與發(fā)射臂接受臂一致，實(shí)驗(yàn)時(shí),將可動(dòng)金屬板B移動(dòng)到導(dǎo)軌左端,從這里開始使金屬板緩慢向右移動(dòng)，依次記錄微安表出現(xiàn)的的極大值時(shí)金屬板在標(biāo)尺上的位置．?２.３若金屬板移動(dòng)距離為Ｌ，極大值出現(xiàn)的次數(shù)為n+1則,,λ=２L／ｎ這便是微波的波長(zhǎng)，再令金屬板反向移動(dòng),反復(fù)上面操作,最后求出兩次所得微波波長(zhǎng)的平均值.?單縫衍射實(shí)驗(yàn)?３．１預(yù)先調(diào)整好單縫衍射板的寬度(70mm),該板固定在支座上,并一起放到分度小平臺(tái)上，單縫衍射板要和發(fā)射喇叭保持垂直,

3．2然后從衍射角０°開始，在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變１°,讀一次表頭讀數(shù),并記錄.?由于本實(shí)驗(yàn)的單縫衍射版的最小值，衍射角度不能過大，同時(shí)考慮到第一級(jí)衍射極大值的強(qiáng)度比中央極大值的強(qiáng)度弱很多,隱刺將本實(shí)驗(yàn)提成兩段，第一段從-3０°~30°，第二段從３0°~5０°．?3.3畫出兩段的-φ實(shí)驗(yàn)曲線圖，根據(jù)微波波長(zhǎng)和縫寬，算出第一級(jí)極小和一級(jí)極大的衍射角與曲線上求得的結(jié)果進(jìn)行比較?微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)?4.1用微波代替X射線驗(yàn)證布拉格公式，必須制作一個(gè)模擬晶體,使晶格常熟略大于微波波長(zhǎng).

模擬晶體是由直徑10ｍm的金屬球做成的立方晶體模型，相鄰球距為40mm，這些金屬球就相稱于晶體點(diǎn)陣中的粒子,實(shí)驗(yàn)時(shí)，將模擬晶體放在分度小平臺(tái)上.

4．2一方面令分度小平臺(tái)指示在0°位置,這樣晶體（１00)面與發(fā)射臂平行,固定臂指針指示的是入射角;活動(dòng)臂指針指示的是經(jīng)晶體（100)面反射的微波的反射角.

4.3轉(zhuǎn)動(dòng)分度小平臺(tái),改變微波的掠射角,掠射角的測(cè)量范圍１５°~35°,45°~６０°,保證散射角與掠射角相等，分度小平臺(tái)每次轉(zhuǎn)動(dòng)1°,讀取接受檢波電流值,再繪出-θ曲線圖.從實(shí)驗(yàn)曲線上求出極大值θ角大小,然后與理論公式計(jì)算出來的衍射角相比較(取K＝1,d=40ｍm,λ=32.0２mm),計(jì)算其偏離限度,并分析其因素?原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解決及誤差計(jì)算:反射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)nθin/degrｅe(cuò)θouｔ/degｒeeｎθin/dｅgrｅｅθout/deｇreｅ120235555８２30306６0６53404３.577074450538８０80從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,微波的入射角θin和反射角θoｕt在誤差允許的范圍內(nèi)可認(rèn)為是相等的，少數(shù)的偏差也許是由于微波易受外界干擾所致。因而可以認(rèn)為,微波也是符合反射定律的。

邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正向0～7０ｍｍ,記錄極大值出現(xiàn)的位置１3．4２mm3１．44mm48.00ｍｍ64．61mm反向70~0ｍm，記錄極大值出現(xiàn)的位置64.18ｍm48.３０mm31.4９mｍ14．09mm正向出現(xiàn)的三次極大值之間的間距分別為１8.０2mm，16．５6mm,１6.1６mｍ，間距的平均值為Ｌ１=17.063ｍm在這個(gè)間距內(nèi)，極大峰只在首尾各出現(xiàn)了一次,因此λ１=2＊L１=34.1２6mm反向出現(xiàn)三次極大值之間的間距分別為1５.８8mm，16.８1mm,16．59ｍｍ?間距的平均值為Ｌ2=１6.4２7mｍ同樣,在這個(gè)間距內(nèi)，極大峰首尾各出現(xiàn)一次，因此λ2＝2＊L2=３2．8５4mm兩次波長(zhǎng)的平均值為λ＝33.49mｍ，與儀器給出的標(biāo)定波長(zhǎng)３2.０2mm較為接近，可認(rèn)為微波的邁克爾遜干涉是符合定律并且波長(zhǎng)測(cè)量時(shí)可信的。單縫衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過多,故這里略去，詳見附表的原始數(shù)據(jù)。只給出轉(zhuǎn)換以后的I-ψ實(shí)驗(yàn)曲線圖和相關(guān)峰值。

-－-－－圖片見附頁1－-－---可見,中央衍射峰出現(xiàn)在-1°，而第一級(jí)衍射峰分別出現(xiàn)在-45°和4３°而根據(jù)理論的第一極大值衍射角計(jì)算公式Φ=arｃsin(3/２*λ/ａ),以及波長(zhǎng)λ=32.02mｍ，單縫寬a＝７0ｍm,可以得到，理論的兩個(gè)第一極大衍射角為±43.３２5°，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相近，除去干擾導(dǎo)致的誤差影響，可以認(rèn)為，微波也符合單縫衍射規(guī)律。微波布拉格衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略去,根據(jù)數(shù)據(jù)作出的I-θ關(guān)系圖如下，按照掠射角的范圍提成兩段:?從圖中可以讀出的兩個(gè)極大值相應(yīng)掠射角為θ1＝23°,θ２=５3°(極大的衍射峰出現(xiàn)位由于過大而被略去)而根據(jù)理論計(jì)算公式,代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到理論的極大值衍射角為θ1’=2３．５9°，θ2’=53．17（這時(shí)分別取K＝1和2)對(duì)照理論值,可見實(shí)驗(yàn)中得到的測(cè)量值偏離理論值很小,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果是可靠的。少量偏移誤差的存在,可以認(rèn)為是由于實(shí)驗(yàn)中微波的發(fā)射以及傳播過程受到外界因素的干擾所致。思考題，實(shí)驗(yàn)感想,疑問與建議:實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)因素也許導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差:一個(gè)是干擾因素,微波自身很容易受到干擾，另一方面，實(shí)驗(yàn)儀器的開放限度很大，實(shí)驗(yàn)人員很容易在操作過程中遮擋了微波傳播的途徑而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。另一個(gè)是儀器設(shè)計(jì)上的缺陷,儀器中,玻璃片、金屬板都是手動(dòng)通過螺栓固定到底座上的,雖然底座上有刻度可以對(duì)準(zhǔn)小分度盤,但是不能保證底座上的金屬