中南大學(xué)電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電磁場(chǎng)與電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 實(shí)驗(yàn)一 電磁波反射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握微波分光儀的基本使用方法；2. 了解3cm信號(hào)源的產(chǎn)生、傳輸及基本特性3. 驗(yàn)證電磁波反射定律。二、實(shí)驗(yàn)原理 反射光一側(cè)的電流值代表反射光的強(qiáng)度，所以反射角的位置由反射光一側(cè)最大電流確定。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.校準(zhǔn)儀器，使兩喇叭口對(duì)正2.固定反射板3.設(shè)置信號(hào)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(cè)量結(jié)果記錄下來步驟1中：對(duì)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(tái)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(duì)齊，使小平臺(tái)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(hào)源開關(guān)，將三厘米固態(tài)信號(hào)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(dòng)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(shí)驗(yàn)要求（9.37GHz、8.8GHz）步驟6中：轉(zhuǎn)動(dòng)微波分光儀的小平臺(tái)，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(dòng)活動(dòng)臂，使得表頭指示最大，此時(shí)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(fù)上述操作，并記下相應(yīng)的反射角讀數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理（1）入射角

3、（度）測(cè)量角度(度)/該角度處的電流表讀數(shù)(uA)反射角（度）第一次測(cè)量第二次測(cè)量第三次測(cè)量第四次測(cè)量第五次測(cè)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(cè)量角度(度)/該角度處的電流表讀數(shù)(uA)反射角（度）第一次測(cè)量第二次測(cè)量第三次測(cè)量第四次測(cè)量第五次測(cè)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(shí)驗(yàn)分析（1）由多次測(cè)量取平均值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在誤差允許的范圍內(nèi)，入射角等于反射角，驗(yàn)證了反射定律。（2）

5、引起誤差的主要原因，除了客觀因素（實(shí)驗(yàn)器材本身）和人為因素（讀數(shù)不準(zhǔn)確）外，還包括1.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)喇叭口校準(zhǔn)不到位2.實(shí)驗(yàn)過程中不小心造成的已校準(zhǔn)過的喇叭口的偏移3.來自其他實(shí)驗(yàn)組的干擾（3）實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量所得的角度是反射光最強(qiáng)的處對(duì)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(shí)驗(yàn)過程中測(cè)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(qiáng)度。反射光在傳播過程中會(huì)有損耗，所以反射光強(qiáng)度不嚴(yán)格等于入射光的情況是合理存在的。若反射光強(qiáng)度大于入射光強(qiáng)度，極可能是其他實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生干擾而造成的。實(shí)驗(yàn)二 單縫衍射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解微波分光儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)調(diào)整它并能用它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；2進(jìn)一

6、步認(rèn)識(shí)電磁波的波動(dòng)性，測(cè)量并驗(yàn)證單縫衍射現(xiàn)象的規(guī)律。二、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)，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(jí)極小，此時(shí)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(qiáng)度又逐漸增大，直至出現(xiàn)一級(jí)極大值，角度為： 。圖2.2 單縫衍射儀器配置三、測(cè)量方法與步驟1.調(diào)節(jié)可變衰減器，設(shè)置一個(gè)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(gè)90°對(duì)齊4.校準(zhǔn)儀器，使兩喇叭口對(duì)正調(diào)整發(fā)射天線使其和接收天線對(duì)正。轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤使其180°的位置正對(duì)固定臂（發(fā)射天線）的指針，轉(zhuǎn)動(dòng)可動(dòng)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(duì)正。依次微調(diào)發(fā)射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射強(qiáng)度分布的中央極大位于0°5.改變衍射角角度，將測(cè)量結(jié)果記錄下來將微波分光儀的活動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線。3、從上面的曲線可以讀出一級(jí)極小和一級(jí)極大值（度），并同理論值進(jìn)行比較左右理論值測(cè)量值理論值測(cè)量值一級(jí)極小值39.79343

9、9.7932一級(jí)極大值73447346五、實(shí)驗(yàn)分析由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察可知，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)一平面波入射到和波長可比擬的狹縫時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，并且縫后面的衍射波強(qiáng)度并不是均勻的，中央最強(qiáng)，也最寬，在中央的兩側(cè)衍射波強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的誤差主要來自三個(gè)方面：1、環(huán)境因素：由于實(shí)驗(yàn)室同時(shí)有多臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電磁波的衍射反射折射導(dǎo)致的相互間的電磁波干擾較大，所以環(huán)境因數(shù)時(shí)刻隨著周圍同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程在變，導(dǎo)致了一些測(cè)量的不規(guī)律波動(dòng)，產(chǎn)生誤差2、實(shí)驗(yàn)裝置因素：實(shí)驗(yàn)裝置沒有校準(zhǔn)好就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致一些系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，比如，我們組的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致測(cè)量角度普遍存在與實(shí)際值的偏差，在后來重新校準(zhǔn)后測(cè)量結(jié)果才精確。3、人為因素：由于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致接收電流一直在某個(gè)讀數(shù)附近波動(dòng)，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(dāng)，太小則觀察不便，太大則可能使電流表指針滿偏。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果能與理論結(jié)果進(jìn)行比較，開始測(cè)量前要反復(fù)調(diào)整儀器、觀察衍射強(qiáng)度分布，盡可能將中央極大值的位置調(diào)整在0°處。實(shí)驗(yàn)三 自由空間中電磁波參量的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解電磁波的空間傳播特性；2. 通過對(duì)電磁波波長、波幅、波節(jié)的測(cè)量進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解電磁波。二、實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向相同、相位差恒定的波源所發(fā)

11、出的波疊加時(shí)，在空間總會(huì)有一些點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng)，而另一些點(diǎn)的振動(dòng)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(dòng)金屬板B，只改變第二列波的波程，讓兩列波發(fā)生干涉，當(dāng)合成波振幅最大時(shí)，可得：當(dāng)合成波振幅最小時(shí)，可得：由最大振幅到最小振幅的最短波程差為。若移動(dòng)金屬板的距離為，則有。實(shí)驗(yàn)中，為了提高測(cè)量波長的精確度，測(cè)量多個(gè)極小值的位置，設(shè)為第一個(gè)極小值的位置，為第（n+1）個(gè)極小值的位置，則波長。三、實(shí)驗(yàn)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(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。5、調(diào)節(jié)衰減器按信號(hào)源操作規(guī)程接通電源，調(diào)節(jié)衰減器使信號(hào)電平讀數(shù)指示合適值。6、移動(dòng)反射板，讀數(shù)將可移反射板移到讀數(shù)機(jī)構(gòu)的一端，在此附近測(cè)出一個(gè)極小的位置，然后旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機(jī)構(gòu)上的手柄使反射板移動(dòng)，從表頭上測(cè)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(dòng)距離L，則波長五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄第一最小點(diǎn)第二最小點(diǎn)第三最小點(diǎn)第四最小點(diǎn)最小點(diǎn)位置16324865最大點(diǎn)位置9254158六、實(shí)驗(yàn)分析1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得

13、數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)源波長為：2. 相關(guān)公式計(jì)算出信號(hào)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(shí)驗(yàn)室同時(shí)有多臺(tái)實(shí)驗(yàn)裝置同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電磁波的衍射反射折射導(dǎo)致的相互間的電磁波干擾較大，所以環(huán)境因數(shù)時(shí)刻隨著周圍同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程在變，導(dǎo)致了一些測(cè)量的不規(guī)律波動(dòng)，產(chǎn)生誤差實(shí)驗(yàn)裝置因素：（1）實(shí)驗(yàn)裝置沒有校準(zhǔn)好就進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致一些系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，比如，我們組的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)致測(cè)量角度普遍存在與實(shí)際值的偏差，在后來重新校準(zhǔn)后測(cè)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(duì)的水平和垂直，反射金屬板不是絕對(duì)的平面，讀數(shù)機(jī)構(gòu)不能穩(wěn)穩(wěn)地固定在底座上。

14、人為因素：由于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致接收電流一直在某個(gè)讀數(shù)附近波動(dòng)，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(shí)驗(yàn)儀器。（2）嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)步驟、方法操作。（3）熟練掌握各種測(cè)量器具的使用方法，準(zhǔn)確讀數(shù) （4）改進(jìn)測(cè)量方法（5）對(duì)儀器進(jìn)行嚴(yán)格的校對(duì)、調(diào)整。實(shí)驗(yàn)四 均勻無耗媒質(zhì)參量的測(cè)量一 實(shí)驗(yàn)?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(cè)量方法；2. 熟悉均勻無耗媒質(zhì)分界面對(duì)電磁波的反射和透射特性。二 實(shí)驗(yàn)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(cè)介質(zhì)板圖4.1 介質(zhì)參數(shù)測(cè)量原理圖在上一個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在固定反射板前放一塊待測(cè)

15、介質(zhì)板，其相對(duì)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(huì)增加，為了得到新的極小點(diǎn)位置，必需將可移動(dòng)反射板向右移，待測(cè)介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)與之間滿足：。三 實(shí)驗(yàn)步驟1、連接實(shí)驗(yàn)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(cè)介質(zhì)板和反射板在固定反射板前，放一塊待測(cè)介質(zhì)板，必須緊貼固定反射板。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。5. 向右調(diào)節(jié)可移動(dòng)反射板，使得電表指示讀數(shù)達(dá)到新的最小值，并記錄此時(shí)最小點(diǎn)位置讀數(shù)。該讀數(shù)與未加介質(zhì)板時(shí)的讀數(shù)相減，得到一個(gè)，連續(xù)移動(dòng)可移動(dòng)反射板，得到若干個(gè)值，取算術(shù)平均值，得到一個(gè)較為準(zhǔn)確的。6.用卡尺測(cè)量待測(cè)介質(zhì)板的厚度。五 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1、介質(zhì)板1的厚度： d=（ 4 ）（mm）極小點(diǎn)個(gè)數(shù)1234平均值新極小點(diǎn)位置（mm）621375329.25原極小點(diǎn)位置（mm）1632486540.25極小點(diǎn)位置偏移量（mm）1011111211介質(zhì)的14.062514.062514.062