電磁場實驗指導(dǎo)書

1、電磁場與電磁波實驗指導(dǎo)書山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院前 言一、實驗?zāi)康碾姶艌雠c電磁波是一門理論性較強、概念抽象的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一些交叉學(xué)科的生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，通過本實驗課程使學(xué)生們加深對“電磁場與電磁波”課程中基本理論和基本方法的理解，提高實驗技能和基本操作技能。培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和科學(xué)方法、增強學(xué)生的創(chuàng)造能力。二、實驗前預(yù)習(xí)每次實驗前，學(xué)生須仔細閱讀本實驗指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容，明確實驗?zāi)康摹⒁?；明確實驗步驟、測試數(shù)據(jù)及需觀察的現(xiàn)象；復(fù)習(xí)與實驗內(nèi)容有關(guān)的理論知識；預(yù)習(xí)儀器設(shè)備的使用方法、操作規(guī)程及注意事項；做好預(yù)習(xí)要求中提出的其它事項。 三、實驗注意事項1實驗開始前

2、，應(yīng)先檢查本組的儀器設(shè)備是否齊全完備，了解設(shè)備使用方法及儀器的連接要求。2實驗時每組同學(xué)應(yīng)分工協(xié)作，輪流記錄、操作等，使每個同學(xué)受到全面訓(xùn)練。3操作前應(yīng)將儀器設(shè)備合理布置，然后按要求連接。4完成實驗系統(tǒng)連接后，必須進行復(fù)查，逐項檢查各設(shè)備、器件的位置、角度等是否正確。確定無誤后，方可通電進行實驗。5實驗中嚴格遵循操作規(guī)程，絕對不允許帶電操作。如發(fā)現(xiàn)異常聲、味或其它事故情況，應(yīng)立即切斷電源，報告指導(dǎo)教師檢查處理。6測量數(shù)據(jù)或觀察現(xiàn)象要認真細致，實事求是。使用儀器儀表要符合操作規(guī)程，注意儀表的正確讀數(shù)。7未經(jīng)許可，不得動用其它組的儀器設(shè)備或工具等物。8實驗結(jié)束后，實驗記錄交指導(dǎo)教師查看并認為無誤后

3、，方可拆除實驗系統(tǒng)。最后，應(yīng)清理實驗桌面，清點儀器設(shè)備。9愛護公物，發(fā)生儀器設(shè)備等損壞事故時，應(yīng)及時報告指導(dǎo)教師，按有關(guān)實驗管理規(guī)定處理。10自覺遵守學(xué)校和實驗室管理的其它有關(guān)規(guī)定。四、實驗總結(jié)每次實驗后，應(yīng)對實驗進行總結(jié)，即實驗數(shù)據(jù)進行整理，繪制波形和圖表，分析實驗現(xiàn)象，撰寫實驗報告。實驗報告除寫明實驗名稱、日期、實驗者姓名、同組實驗者姓名外，還包括：1實驗?zāi)康模?實驗儀器設(shè)備（名稱、型號）；3實驗原理；4實驗主要步驟及相應(yīng)的連接圖；5實驗記錄（測試數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象）；6實驗數(shù)據(jù)整理（按每項實驗的"實驗報告要求"進行計算、分析等）；7回答每項實驗的有關(guān)問答題。目 錄目 錄

4、1文檔樣式使用說明1實驗一 電磁波的反射3實驗二 電磁波的極化與極化形式的測量方法7實驗三 邁克爾遜干涉13實驗四 雙縫衍射實驗16文檔樣式使用說明一、章標(biāo)題的格式每章另啟用一頁；選擇樣式“標(biāo)題一”，即可自動更改格式為：三號，宋體，加粗，居中，1.5倍行距，段前段后間距：自動二、各章主要內(nèi)容每個章節(jié)的實驗介紹至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：1實驗?zāi)康?實驗原理3實驗儀器和設(shè)備4預(yù)習(xí)要求5實驗內(nèi)容和步驟6實驗報告要求三、小標(biāo)題的格式選擇樣式為“標(biāo)題二”，即可更改上述各標(biāo)題的格式為：小三號，宋體，加粗，1.5倍行距，段前段后間距：0.5行四、正文格式選擇樣式為“正文”，實驗內(nèi)容的正文格式為：小四號，宋體，1.

5、5倍行距，段前段后間距：0行五、目錄由于各章標(biāo)題采用了一級標(biāo)題（標(biāo)題1），因此全文完成后，可以自動生成全文的目錄。方法如下：將光標(biāo)移動到要插入目錄的地方（第一頁“目錄”二字下）；選擇“插入”“索引和目錄”“目錄”標(biāo)題“顯示級別”選擇“1”單擊“確定”即可。實驗一 電磁波的反射一、實驗?zāi)康?、觀察電磁波在傳播過程中遇到障礙物發(fā)生的反射現(xiàn)象。2、進一步加深對電磁波在傳播過程中遇到障礙物時的傳播特點和規(guī)律的認識。3、研究電磁波在介質(zhì)表面發(fā)生全反射和無反射的條件二、實驗原理1、電磁波斜入射到兩種不同媒質(zhì)分界面上的反射和折射 均勻平面波斜入射到兩種不同媒質(zhì)的分界面上，發(fā)生反射和折射，以平行折射

6、波為例， (1)反射定律：                           (2)折射定律：           2、平行極化波入射到兩種媒質(zhì)分界面上發(fā)生無反射（全反射）的條件。平行極化波在兩種媒質(zhì)分界面上的反射系數(shù)和折射系數(shù)

7、分別為： 平行極化波斜入射時發(fā)生無反射，即，應(yīng)有                         可以解出無反射時的入射角                     

8、60;       稱為布魯斯特角。3、垂直極化波不可能產(chǎn)生無反射（全反射）垂直極化波入射在兩種媒質(zhì)的分界面上，反射系數(shù)和折射系數(shù)分別為：                                  &#

9、160;           對于一般媒質(zhì)，可以證明，垂直極化波無論是從光疏媒質(zhì)射入光密媒質(zhì)，還是從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)，總有，所以不可能發(fā)生全反射。沿任意方向極化的平面電磁波，以入射到兩種媒質(zhì)的分界面上時反射波中只有垂直極化波分量，利用這種方法可以產(chǎn)生垂直極化波。4、電磁波斜入射到良導(dǎo)體表面的反射 對于良導(dǎo)體，所以  ，電磁波在傳播過程中如遇到障礙物，必定要發(fā)生反射。處以一塊大的金屬板作為障礙物來研究當(dāng)電波以某一入射角投射到此金屬板上所遵循的反射定律，即反射線在入射線和通過入射點的法

10、線所決定的平面上，反射線和入射線分居在法線兩側(cè)，反射角等于入射角。三、實驗儀器和設(shè)備1DH926B型微波分光儀 1臺2金屬板 1塊四、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)反射定律2復(fù)習(xí)理想介質(zhì)邊界上平面波的斜投射，復(fù)習(xí)無反射與全反射。五、實驗內(nèi)容及步驟實驗儀器布置如圖1 圖1 反射實驗儀器的布置1.儀器連接時，兩喇叭口面應(yīng)互相正對，它們各自的軸線應(yīng)在一條直線上。2.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）拉起平臺上四個壓緊螺釘旋轉(zhuǎn)一個角度后放下，即可壓緊支座。3.反射全屬板放到支座上時，應(yīng)使金屬板平面與支座下面的小圓盤上的某一對

11、刻線一致。而把帶支座的金屬反射板放到小平臺上時，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。這時小平臺上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。 4.轉(zhuǎn)動小平臺，使固定臂指針指在某一角度處，這角度該數(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，此時活動臂上的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣侨绻藭r表頭指示太大或太小，應(yīng)調(diào)整衰減器、固態(tài)振蕩器或晶體檢波器，使表頭指示接近滿量程。5做此項實驗，入射角最好取300至650之間。因為入射角太大接收喇叭有可能直接接受入射波。做這項實驗時應(yīng)注意系統(tǒng)的調(diào)整和周圍環(huán)境的影響。 表1.1入射角（度）反射角左側(cè)（度）右側(cè)六、實驗報告要求

12、1寫明本次實驗所用儀器儀表的型號、規(guī)格及量程。2利用表1.1中的測量結(jié)果驗證反射定律。實驗二 電磁波的極化與極化形式的測量方法一、實驗?zāi)康?、研究線極化波，圓極化波和橢圓極化波的產(chǎn)生和各自的特點。2、學(xué)習(xí)線極化波，圓極化波和橢圓極化波特性參數(shù)的測量方法。二、實驗原理平面電磁波的極化是指電磁波傳播時，空間某點電場強度矢 量E隨時間變化的規(guī)律。若 E的末端總在一條直線上周期性變化， 稱為線極化波； 若E末端的軌跡是圓（或橢圓），稱為圓（或橢 圓）極化波。若圓運動軌跡與波的傳播方向符合右手（或左手） 螺旋規(guī)則時，則稱為右旋（或左旋）圓極化波。線極化波、圓極 化波和橢圓極化波都可由兩個同頻率的正交線極

13、化波組合而成。 設(shè)同頻率的兩個正交線極化波為：                                (1)                  

14、0;         (2)  1、線極化波的合成   當(dāng),的位相相同時，即 ，合成電場為：      合成電場的大?。?#160;             (3)合成電場的方向：            (4)

15、由（3），（4）式可以看出，合成電場的大小隨時間作周期性變化，但方向不變，始終在一條直線上，合成為線極化波。2、圓極化波的合成（1）式和（2）式中,當(dāng) , 位相相差時兩式平方相加可得                             (5)合成電場的方向：     

16、0;                         (6)可以看出，合成電場的大小不變，但方向隨時間變化。合成電場矢量的末端在一圓上以角速度 旋轉(zhuǎn)，這就是圓極化波，設(shè)電磁波沿 軸傳播，當(dāng) 較 滯后 時，合成電場矢量沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，是右旋圓極化波；當(dāng)較 超前 時，合成電場矢量沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，是左旋圓極化波。3、橢圓極化波的合成（1）和（2）式中，當(dāng) ，位相相差 時

17、兩式平方相加可得                             (7)可以看出，合成電場矢量的末端的軌跡是一個橢圓這就是橢圓極化波。若 和 位相相差不是 ，而是任一角度，可以證明合成電場仍然是橢圓極化波，但橢圓的長軸和短軸不與坐標(biāo)軸重合。三、實驗儀器和設(shè)備1. DH926B型微波分光儀 1臺2. DH3000

18、3型柵網(wǎng)組件 1組四、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)平面波的極化特性2復(fù)習(xí)線極化波，圓極化波和橢圓極化波的產(chǎn)生和各自的特點。五、實驗內(nèi)容及步驟圖2.1用柵網(wǎng)組件產(chǎn)生各種極化的原理圖圖2.1 柵網(wǎng)實現(xiàn)波極化的原理圖實驗設(shè)備的布放圖見圖2.2。 圖2.2波的極化是用以描述電場強度空間矢量在某點位置上隨時間變化的規(guī)律。無論是線極化波、圓極化波或橢圓極化波都可由同頻率正交場的兩個線極化組成。若他們同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成場的波認為線極化波；若它們相位相位差為90°，即=±90°，幅度相等，合成場波為右旋或左旋圓極化波；若它們相位差為0±90°，幅度相等

19、（或幅度不等），合成場波為右旋或左旋橢圓極化波。Pr1為垂直柵網(wǎng)，Pr2為水平柵網(wǎng)，當(dāng)輻射喇叭Pr0轉(zhuǎn)角45°后，輻射波的場分為E與E兩個分量，Pr1則反射E分量，而 E分量透過垂直柵網(wǎng)被吸收；Pr2則反射E分量，而 E分量透過水平柵網(wǎng)被吸收。這是轉(zhuǎn)動接收喇叭Pr3，當(dāng)Pr3喇叭E面與垂直柵網(wǎng)平行時收到E波。經(jīng)幾次調(diào)整輻射喇叭Pr0的轉(zhuǎn)角使Pr3接收到的|E|=|E|，實現(xiàn)了圓極化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E與E之間轉(zhuǎn)動，將出現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角下的|E|E|（或|E|）。這時改變Pr2水平柵網(wǎng)位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，從而實現(xiàn)了E與E兩個波的相位差為

20、7;90°，得到圓極化波。由于測試條件所限，|E|與|E|、|E|不可能完全相等，Pr3轉(zhuǎn)角0360°時，總會出現(xiàn)檢波電壓的波動，這時雖有Emin/Emax0.93，即橢圓度為0.93。可以認為基本上實現(xiàn)了圓極化波的要求。1、圓極化波的調(diào)試與測試兩個同頻率的正交場，幅度相等，位相相差 時可產(chǎn)生圓極化波。為此先把發(fā)射喇叭天線轉(zhuǎn)大約角（），再把接收喇叭天線 的E面垂直放置，可接收，然后把的E面水平放置，可接收，若，可是適當(dāng)調(diào)整 角，使 。最后調(diào)整 的位置，使 轉(zhuǎn)動任何角度的輸出指示值都相等，這就是圓極化波，當(dāng)轉(zhuǎn)動角度為0、10、20、.170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表一中。由于實驗

21、誤差，和總有差別，用圓極化波的橢圓度來表示，是輸出指示的最小值， 是輸出指示的最大值。表2.1：                :010200105060708090100110120130140150160170 圓極化波的橢圓度2、線極化波的調(diào)試與測試在前面產(chǎn)生圓極化波實驗的基礎(chǔ)上，前后調(diào)整的位置，使即可產(chǎn)生線極化波。調(diào)整的位置產(chǎn)生的波程差為，由此產(chǎn)生的位相差。由 可以解出 ，所以把的位置前后調(diào)整 就可以產(chǎn)生線極化波。 當(dāng)轉(zhuǎn)動角度為0、10、

22、20、.170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表二中。表2.2：                   010200105060708090100110120130140150160170 3、橢圓極化波的調(diào)試與測試在前兩部分實驗的基礎(chǔ)上，改變的位置，使或 即可產(chǎn)生橢圓極化波。當(dāng)轉(zhuǎn)動角度為0、10、20、.170度時記錄測量數(shù)據(jù)填入表三中并計算出橢圓極化波的橢圓度e。表2.3：     &#

23、160;     010200105060708090100110120130140150160170 橢圓極化波的橢圓度六、實驗報告要求完成表2.1和表2.2、表2.3中的測量和計算，驗證波的極化特性。實驗三 邁克爾遜干涉一、實驗?zāi)康?、加深對電磁波的干涉現(xiàn)象的認識。2、能利用電磁波的干涉來測量電磁波的波長。二、實驗原理邁克爾遜干涉實驗的基本原理見圖1，在平面波前進的方向上放置成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接收喇叭處。于是接收喇叭收

24、到兩束同頻率，振動方向一致的兩個波。如果這兩個波的位相差為2的整數(shù)倍。則干涉加 A(固定反射板) 發(fā)射喇叭 接收喇叭 B(可移反射板) 圖 3.1：邁克爾遜干涉實驗強；當(dāng)位相差為的奇數(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，則 B處的反射板就移動2的距離因此有這個距離就可求得平面波的波長。三、實驗儀器和設(shè)備DH926B型微波分光儀 1臺四、預(yù)習(xí)要求學(xué)習(xí)電磁波的干涉理論。五、實驗內(nèi)容及步驟實驗儀器布置如圖31.使兩喇叭口面互成900。半透射板與兩喇叭軸線互成450。2.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。3.插上

25、反射板，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。4.實驗時將可移反射板移到讀致機構(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)上的手柄使反射扳移動，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。則波長圖3 ：邁克爾遜干涉實驗的儀器布置六、實驗報告要求根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，計算出移動距離L，從而求出波長。實驗四 雙縫衍射實驗一、實驗?zāi)康难芯侩姶挪ǖ母缮娆F(xiàn)象，干涉角與干涉強度的關(guān)系。二、實驗原理微波和光波都是電磁波，都能產(chǎn)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，利用微波和光波作波動實驗所說明的波動現(xiàn)象及其規(guī)律是一致

26、的。當(dāng)一平面波垂直入射到一金屬板的兩條狹縫上時，每一條狹縫就是次級波波源，由兩縫發(fā)出的次級波是相干波，在金屬板的背后空間將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。由于入射波通過每個狹縫也有衍射現(xiàn)象，實驗將是干涉和衍射兩者結(jié)合的結(jié)果，我們?yōu)榱酥谎芯恐饕莵碜噪p縫的兩束中央衍射波相互干涉的結(jié)果，令雙縫的寬度a接近，例如，入射波波長=32mm，取縫寬a=40mm，由單縫衍射的一級極小公式，得，我們在一級極小范圍內(nèi)研究兩束中央衍射波相互干涉現(xiàn)象。 當(dāng)衍射角適合條件                       (1)時，兩狹縫射出的光波的光程差是波長的整數(shù)倍，因而相互加強，形成明紋。當(dāng)衍射角適合條件                 (2)時，兩狹縫射出的子波的光程差是半波長的奇數(shù)倍時，干涉減弱應(yīng)形成暗紋。所以干涉加強的角度為  &