电磁场及电磁波实验指导书.docx

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电磁场及电磁波实验指导书

电磁场与电磁波实验指导书

北华航天工业学院2008.11

“电磁场与电磁波”是工科电子类专业一门重要的专业基础课。

由于该课程核心的基本概念、基本理论和分析方法都非常重要，而且系统性、理论性很强，为此在学习本课程时，开设必要的实验，使抽象的概念和理论形象化、具体化，增强学生学习本门课程的兴趣，对学生加深理解和深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题和解决问题、设计实验方案的能力等方面，具有极大的好处。

做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。

在做每个实验前，请务必阅读实验指导书和教材，弄懂实验原理，认真完成实验预习报告；做完实验后，请务必写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程和结果、心得和体会等。

目录

实验一电磁波反射实验………………………………………………3

实验二单缝衍射实验…………………………………………………5

实验三双缝干涉实验…………………………………………………7

实验四迈克尔逊干涉实验……………………………………………9

实验五偏振实验……………………………………………………11

实验六布拉格衍射实验……………………………………………12

实验一电磁波反射实验

一、实验目的

1、熟悉分光仪的使用方法

2、掌握分光仪验证电磁波反射定律的方法

二、预习内容

电磁波的反射定律

三、实验设备与仪器

分光仪

四、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，我们用一块大的金属板作为障碍物，测量当电波以某一入射角投射到此金属板上的反射角，验证电磁波的反射定律。

五、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

如图1所示，仪器连接时，两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上。

指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的900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（与支座上刻线对齐）拉起平台上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

反射全属板放到支座上时，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900刻度的一对刻线一致。

这时小平台上的00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，这角度读数就是入射角，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。

图1反射实验仪器的布置

六、实验报告

记录实验测得数据，验证电磁波的反射定律。

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

二、预习内容

电磁波单缝衍射现象

三、实验设备

S426型分光仪

四、实验原理

当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，a

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

，其中λ是波长，a是图2－1单缝衍射

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：

（如图2－1所示）

五、实验内容与步骤

如图2－2所示，仪器连接时，预先接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900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1800处，此时小平台的00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00开始，在单缝的两侧使衍射角每改变10读取一次表头读数，并记录下来。

图2－2单缝衍射实验仪器的布置

六、实验报告

记录实验测得数据，画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线，根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角，与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。

实验三双缝干涉实验

一、实验目的

掌握来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的影响

二、预习内容

电磁波双缝干涉现象

三、实验设备

S426型分光仪

四、实验原理a

当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭线，

则每一条狭键就是次级波波源。

由两缝发出的次级b

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。

当然，光通过每个缝也有衍射现象。

因此实验将是衍射和干涉两者结合的结果。

为了只

研究主要是由于来自双缝的两束中央衍射波相互干

涉的结果，令双缝的缝宽a接近λ，例如：

λ=32mm，a

a=40mm，这时单缝的一级极小接近530。

因此取较大的图3－1双缝干涉

b，则干涉强度受缝衍射的影响小，当b较小时，干涉强度受单缝衍射影响大（如图3－1所示）。

干涉加强的角度为：

，式中K=l、2、……；

干涉减弱的角度为：

式中K=l、2、……。

五、实验内容与步骤

如图3－2所示，仪器连接时，预先接需要调整双缝缝衍射板的缝宽，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900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1800处，此时小平台的00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00开始，在双缝的两侧使衍射角每改变10读取一次表头读数，并记录下来。

由于衍射板横向尺寸小，所以当b取得较大时，为了避免接收喇叭直接收到发射喇叭的发射波或通过板的边缘过来的波，活动臂的转动角度应小些。

图3－2双缝干涉实验仪器的布置

六、实验报告

记录实验测得数据，验证干涉加强和干涉减弱时的角度特点。

实验四迈克尔逊干涉实验

一、实验目的

掌握平面波长的测量方法

二、预习内容

迈克尔逊干涉现象

三、实验设备

S426型分光仪

四、实验原理

迈克尔逊干涉实验的基本原理见图4－1，在平面波前进的方向上放置成450的半透射板。

由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A方向传播，另一束向B方向传播。

由于A、B处全反射板的作用，两列波就再次回到半透射板并到达接收喇叭处。

于是接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两个波。

如果这两个波的位相差为2π的整数倍。

则干涉加强；当位相差为π的奇数倍则干涉减弱。

因此在A处放一固定板，让B处的反射板移动，当表头指示从一次极小变到又一次极小时，则B处的反射板就移动λ／2的距离．因此有这个距离就可求得平面波的波长。

A（固定反射板）

发射喇叭

B（可移反射板）

接收喇叭

图4－1迈克尔逊干涉实验原理

五、实验内容及步骤

如图4－2所示，使两喇叭口面互成900。

半透射板与两喇叭轴线互成450，将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上，使其固定在底座上，再插上反射扳，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。

实验时。

将可移反射板移到读致机构的一端，在此附近测出一个极小的位置，然后旋转读数机构上的手柄使反射扳移动，从表头上测出（n＋1）个极小值，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离L。

则波长

。

图4－2迈克尔逊干涉实验仪器的布置

六、实验报告

记录实验测得数据，计算平面波波长。

实验五偏振实验

一、实验目的

1、培养综合性设计电磁波实验方案的能力

2、验证电磁波的马吕斯定律

二、预习内容

线极化波的相关概念和电磁波的马吕斯定律

三、实验设备

S426型分光仪

四、实验原理

平面电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波长的传播方向垂直。

如果E在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波。

在光学中也叫偏振波。

偏振波电磁场沿某一方向的能量有

的关系。

这就是光学中的马吕斯定律：

，式中I为偏振光的强度，φ是I与I0间的夹角。

五、实验内容及步骤

1、设计利用S426型分光仪验证电磁波马吕斯定律的方案；

2、根据设计的方案，布置仪器，验证电磁波的马吕斯定律。

六、实验报告

写出设计的方案，记录测量的数据，验证马吕斯定律。

实验六布拉格衍射实验

一、实验目的

1、培养综合性设计电磁波实验方案的能力

2、验证电磁波的布拉格方程

二、预习内容

布拉格方程和布拉格衍射现象

三、实验设备

S426型分光仪

四、实验原理

任何的真实晶体，都具有自然外形和各向异性的性质，这和晶体的离子、原子或分子在空间按一定的几何规律排列密切相关。

晶体内的离子、原子或分子占据着点阵的结构，两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。

真实晶体的晶格常数约在10-8厘米的数量级。

X射线的波长与晶体的常数属于同一数量级。

实际上晶体是起着衍射光栅的作用。

因此可以利用X射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列，以达到对晶体结构的了解。

仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理，人为制做了一个方形点阵的模拟晶体，以微波代替X射线，使微波向模拟晶体入射，观察从不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件。

这个条件就是布拉格方程：

当波长为λ的平面波射到间距为a的晶面上，入射角为θ，当满足条件nλ=2aCOSθ时（n为整数），发生衍射。

衍射线在所考虑的晶面反射线方向。

在一般的布拉格衍射实验中采用入射线与晶面的夹角（即通称的掠射角）α，这时布拉格方程即为nλ=2asinα。

五、实验内容及步骤

1、设计利用S426型分光仪演示电磁波布拉格衍射现象的方案；

2、根据设计的方案，布置仪器，验证布拉格方程。

六、实验报告

写出设计的方案，记录测量的数据，验证布拉格方程。