電磁場實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)康碾姶艌雠c電磁波是一門理論性較強(qiáng)、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(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，通過本實(shí)驗(yàn)課程使學(xué)生們加深對(duì)“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(shí)驗(yàn)技能和基本操作技能。培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和科學(xué)方法、增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。二、實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)每次實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生須仔細(xì)閱讀本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒁螅幻鞔_實(shí)驗(yàn)步驟、測試數(shù)據(jù)及需觀察的現(xiàn)象；復(fù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有關(guān)的理論知識(shí)；預(yù)習(xí)儀器設(shè)備的使用方法、操作規(guī)程及注意事項(xiàng)；做好預(yù)習(xí)要求中提出的其它事項(xiàng)。 三、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)每組同學(xué)應(yīng)分工協(xié)作，輪流記錄、操作等，使每個(gè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接后，必須進(jìn)行復(fù)查，逐項(xiàng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。5實(shí)驗(yàn)中嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，絕對(duì)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(bào)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(rèn)真細(xì)致，實(shí)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(dòng)用其它組的儀器設(shè)備或工具等物。8實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)記錄交指導(dǎo)教師查看并認(rèn)為無誤后

3、，方可拆除實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。最后，應(yīng)清理實(shí)驗(yàn)桌面，清點(diǎn)儀器設(shè)備。9愛護(hù)公物，發(fā)生儀器設(shè)備等損壞事故時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)告指導(dǎo)教師，按有關(guān)實(shí)驗(yàn)管理規(guī)定處理。10自覺遵守學(xué)校和實(shí)驗(yàn)室管理的其它有關(guān)規(guī)定。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)每次實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，即實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制波形和圖表，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告除寫明實(shí)驗(yàn)名稱、日期、實(shí)驗(yàn)者姓名、同組實(shí)驗(yàn)者姓名外，還包括：1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備（名稱、型號(hào)）；3實(shí)驗(yàn)原理；4實(shí)驗(yàn)主要步驟及相應(yīng)的連接圖；5實(shí)驗(yàn)記錄（測試數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象）；6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理（按每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的"實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求"進(jìn)行計(jì)算、分析等）；7回答每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的有關(guān)問答題。目 錄目 錄

4、1文檔樣式使用說明1實(shí)驗(yàn)一 電磁波的反射3實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化與極化形式的測量方法7實(shí)驗(yàn)三 邁克爾遜干涉13實(shí)驗(yàn)四 雙縫衍射實(shí)驗(yàn)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(dòng)更改格式為：三號(hào)，宋體，加粗，居中，1.5倍行距，段前段后間距：自動(dòng)二、各章主要內(nèi)容每個(gè)章節(jié)的實(shí)驗(yàn)介紹至少應(yīng)包括以下內(nèi)容：1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)原理3實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備4預(yù)習(xí)要求5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟6實(shí)驗(yàn)報(bào)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(hào)，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(shí)驗(yàn)內(nèi)容的正文格式為：小四號(hào)，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(jí)標(biāo)題（標(biāo)題1），因此全文完成后，可以自動(dòng)生成全文的目錄。方法如下：將光標(biāo)移動(dòng)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(jí)別”選擇“1”單擊“確定”即可。實(shí)驗(yàn)一 電磁波的反射一、實(shí)驗(yàn)?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(jìn)一步加深對(duì)電磁波在傳播過程中遇到障礙物時(shí)的傳播特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。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(shí)驗(yàn)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(shí)發(fā)生無反射，即，應(yīng)有                         可以解出無反射時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1DH926B型微波分光儀 1臺(tái)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)儀器布置如圖1 圖1 反射實(shí)驗(yàn)儀器的布置1.儀器連接時(shí)，兩喇叭口面應(yīng)互相正對(duì)，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(tái)的900刻度處，將支座放在工作平臺(tái)上，并利用平臺(tái)上的定位銷和刻線對(duì)正支座（與支座上刻線對(duì)齊）拉起平臺(tái)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.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(duì)

11、刻線一致。而把帶支座的金屬反射板放到小平臺(tái)上時(shí)，應(yīng)使圓盤上的這對(duì)與金屬板平面一致的刻線與小平臺(tái)上相應(yīng)900刻度的一對(duì)刻線一致。這時(shí)小平臺(tái)上的00刻度就與金屬板的法線方向一致。 4.轉(zhuǎn)動(dòng)小平臺(tái)，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(dòng)活動(dòng)臂在表頭上找到一最大指示，此時(shí)活動(dòng)臂上的指針?biāo)傅目潭染褪欠瓷浣侨绻藭r(shí)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)，入射角最好取300至650之間。因?yàn)槿肷浣翘蠼邮绽扔锌赡苤苯咏邮苋肷洳?。做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

12、1寫明本次實(shí)驗(yàn)所用儀器儀表的型號(hào)、規(guī)格及量程。2利用表1.1中的測量結(jié)果驗(yàn)證反射定律。實(shí)驗(yàn)二 電磁波的極化與極化形式的測量方法一、實(shí)驗(yàn)?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(diǎn)。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(shí)驗(yàn)原理平面電磁波的極化是指電磁波傳播時(shí)，空間某點(diǎn)電場強(qiáng)度矢 量E隨時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡與波的傳播方向符合右手（或左手） 螺旋規(guī)則時(shí)，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(gè)同頻率的正交線極

13、化波組合而成。 設(shè)同頻率的兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，合成電場矢量沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，是右旋圓極化波；當(dāng)較 超前 時(shí)，合成電場矢量沿順時(shí)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(shí)

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(gè)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(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1. DH926B型微波分光儀 1臺(tái)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(diǎn)。五、實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)波極化的原理圖實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度空間矢量在某點(diǎn)位置上隨時(shí)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(gè)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(rèn)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(gè)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(dòng)接收喇叭Pr3，當(dāng)Pr3喇叭E面與垂直柵網(wǎng)平行時(shí)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(shí)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(dòng)，將出現(xiàn)任意轉(zhuǎn)角下的|E|E|（或|E|）。這時(shí)改變Pr2水平柵網(wǎng)位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，從而實(shí)現(xiàn)了E與E兩個(gè)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(shí)，總會(huì)出現(xiàn)檢波電壓的波動(dòng)，這時(shí)雖有Emin/Emax0.93，即橢圓度為0.93?？梢哉J(rèn)為基本上實(shí)現(xiàn)了圓極化波的要求。1、圓極化波的調(diào)試與測試兩個(gè)同頻率的正交場，幅度相等，位相相差 時(shí)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(dòng)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(dòng)角度為0、10、20、.170度時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)填入表一中。由于實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)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(dòng)角度為0、10、

22、20、.170度時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)角度為0、10、20、.170度時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)填入表三中并計(jì)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求完成表2.1和表2.2、表2.3中的測量和計(jì)算，驗(yàn)證波的極化特性。實(shí)驗(yàn)三 邁克爾遜干涉一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、加深對(duì)電磁波的干涉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。2、能利用電磁波的干涉來測量電磁波的波長。二、實(shí)驗(yàn)原理邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的基本原理見圖1，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

24、到兩束同頻率，振動(dòng)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 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(shí)驗(yàn)強(qiáng)；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(dòng)，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(dòng)2的距離因此有這個(gè)距離就可求得平面波的波長。三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備DH926B型微波分光儀 1臺(tái)四、預(yù)習(xí)要求學(xué)習(xí)電磁波的干涉理論。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟實(shí)驗(yàn)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(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。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(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(dòng)，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(dòng)距離L。則波長圖3 ：邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)的儀器布置六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算出移動(dòng)距離L，從而求出波長。實(shí)驗(yàn)四 雙縫衍射實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康难芯侩姶挪ǖ母缮娆F(xiàn)象，干涉角與干涉強(qiáng)度的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)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(dòng)實(shí)驗(yàn)所說明的波動(dòng)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(shí)，每一條狹縫就是次級(jí)波波源，由兩縫發(fā)出的次級(jí)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(gè)狹縫也有衍射現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)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(jí)極小公式，得，我們?cè)谝患?jí)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(shí)，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(qiáng)，形成明紋。當(dāng)衍射角適合條件                 (2)時(shí)，兩狹縫射出的子波的光程差是半波長的奇數(shù)倍時(shí)，干涉減弱應(yīng)形成暗紋。所以干涉加強(qiáng)的角度為  &