微波光學(xué)試驗(yàn)(20211109173037)

1、微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)十六實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1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)一步認(rèn)識(shí)電磁波的波動(dòng)性，測(cè)量并驗(yàn)證單縫衍射和雙縫衍射的規(guī)律。 教學(xué)要求1 了解物理量相對(duì)測(cè)量的特點(diǎn)和研究方法。2 學(xué)習(xí)如何利用實(shí)驗(yàn)理論，通過(guò)比擬理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的方法。 實(shí)驗(yàn)器材微波分光儀微波和光波都是電磁波，都具有波動(dòng)性，能產(chǎn)生反射、衍射、干預(yù)及折射等現(xiàn)象。 微波的波長(zhǎng)在一毫米到一米之間，在電磁波譜中其短波長(zhǎng)一端與遠(yuǎn)紅外光波相連接，在 長(zhǎng)波長(zhǎng)一端與超高頻無(wú)線(xiàn)電波相連接。許多可見(jiàn)光和其他波長(zhǎng)的電磁波的性質(zhì)，都可以 用微波來(lái)再現(xiàn)，只是由于波長(zhǎng)不同，波動(dòng)現(xiàn)象的尺度不同而已。利用微波代替光波來(lái)進(jìn) 行實(shí)

2、驗(yàn)直觀、方便的多。實(shí)驗(yàn)原理1. 單縫衍射由微波分光儀的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的微波是在一定范圍內(nèi)的平面波，當(dāng)平面波入射到縫寬為 a的單縫上就會(huì)發(fā)生衍射，在不同方向上可以由接收天線(xiàn)接收到不同強(qiáng)度的微波，在各 衍射方向上的微波可以看作是這個(gè)方向上小范圍內(nèi)的平面波，接收天線(xiàn)將其會(huì)聚到一起 來(lái)。因此可以認(rèn)為這種衍射是夫瑯和費(fèi)衍射。單縫夫瑯和費(fèi)衍射的光強(qiáng)分布光強(qiáng)為：si n( sin)扎a 2(sin)扎當(dāng)衍射角:=0時(shí)，衍射波的強(qiáng)度最大，稱(chēng)為中央極強(qiáng)，它有一定的寬度。在中央極強(qiáng)兩側(cè)，衍射波的強(qiáng)度迅速減小，直至出現(xiàn)衍射波強(qiáng)度的極小值，即一級(jí)極小。可以證明正一級(jí)極小的衍射角為：s in一。同樣，負(fù)一級(jí)極小的衍射角為

3、：a;：彳二sin ° -一。如果定義兩個(gè)一級(jí)極小之間的夾角為中央極強(qiáng)的角寬度，那么中央極強(qiáng)a的角寬度為：- 2 sin “ 。a我們還可以證明各級(jí)極小的衍射角：滿(mǎn)足：=：sin 4k=1,2 , 3,a分別稱(chēng)為一級(jí)極小，二級(jí)極小，三級(jí)極小，。除中央極強(qiáng)外，其余各級(jí)衍射極大的衍射角近似滿(mǎn)足：si n12k k =1, 2, 3 2a分別稱(chēng)為一級(jí)極大，二級(jí)極大，三級(jí)極大，。2. 雙縫衍射雙縫衍射光強(qiáng)為：si n u 2Ip = 4I 02 c 0 SVu二a二 du . sin v sin各級(jí)極大對(duì)應(yīng)的衍射角為：* = sin JK K=0,1,2，d分別稱(chēng)為中央極大，一級(jí)極大，二級(jí)極

4、大，。各級(jí)極小對(duì)應(yīng)的衍射角為：K = sin，空 1 K =0,1,22 d分別稱(chēng)為一級(jí)極小，二級(jí)極小，三級(jí)極小，。操作步驟1 .調(diào)整發(fā)射天線(xiàn)使其和接收天線(xiàn)對(duì)正。轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤(pán)使其180°的位置正對(duì)固定臂發(fā)射天線(xiàn)的指針，轉(zhuǎn)動(dòng)可動(dòng)臂接收天線(xiàn)使其指針指著刻度盤(pán)的0°處，使發(fā)射天線(xiàn)喇叭與接收天線(xiàn)喇叭對(duì)正。2. 將單縫衍射板的縫寬 a調(diào)整為40mm左右，將其安放在刻度盤(pán)上，衍射板的邊線(xiàn) 與刻度盤(pán)上兩個(gè) 90°對(duì)齊。3翻開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，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°調(diào)節(jié)發(fā)射和接收衰減器，使中央極大值的信號(hào)電平處于80 90A;在一 5

5、00的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)接收天線(xiàn)，觀察衍射強(qiáng)度分布，認(rèn)為分布合理后開(kāi)始測(cè)量。4. 將微波分光儀的活動(dòng)臂轉(zhuǎn)到衍射角為+500后開(kāi)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 °。5. 調(diào)整好雙縫衍射板的參數(shù) a與d 根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際， 可取a =30mm d / 100mm, 將其安放在刻度盤(pán)上，衍射板的邊線(xiàn)與刻度盤(pán)上兩個(gè)90°對(duì)齊。6. 類(lèi)似于步驟3、4進(jìn)行儀器的調(diào)節(jié)和測(cè)量。只是對(duì)雙縫衍射的測(cè)量是每改變1° 讀取一次表頭讀數(shù)。7 .分別作出單縫衍射和雙縫衍射的相對(duì)強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系曲線(xiàn)以衍射角為橫軸，電流值Ip為縱軸，確定出各

6、級(jí)極大和極小衍射角的實(shí)驗(yàn)值。8 .利用實(shí)驗(yàn)測(cè)出的縫寬和波長(zhǎng)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的各級(jí)極小和極大的衍射角的理論值，并 與實(shí)驗(yàn)值比擬，作出實(shí)驗(yàn)結(jié)論?？记绊氈? .衰減器調(diào)整要適當(dāng)，太小那么觀察不便，太大那么可能使電流表指針滿(mǎn)偏。2 .單縫衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔 2°記錄一次，雙縫衍射時(shí)每隔1°記錄一次。3. 為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果能與理論結(jié)果進(jìn)行比擬，開(kāi)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00處。問(wèn)題討論1 本實(shí)驗(yàn)為什么屬于夫瑯和費(fèi)衍射？2 雙縫衍射與雙縫干預(yù)有何異同？3實(shí)驗(yàn)中，中央極大的位置對(duì)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論有何意義？如何才能調(diào)整好中央極大 的位置？附錄一、微波分光儀微

7、波分光儀的結(jié)構(gòu)如圖 16-5所示。固態(tài)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與微波頻率相同的電流， 經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)出需要的具有平面波振面的微波；微波經(jīng)過(guò)衍射板后，到達(dá)接收天線(xiàn)再將強(qiáng) 度轉(zhuǎn)變成一個(gè)相應(yīng)的電流強(qiáng)度，并由微安表顯示出來(lái)。各局部及其作用簡(jiǎn)介如下：1 0° -360 °分度轉(zhuǎn)盤(pán)：均勻刻有 360°刻度，可以讀出接收天線(xiàn)所在方位。所在 平臺(tái)可放置各種實(shí)用附件，如單縫衍射板，反射板，雙縫衍射板，布拉格晶體模型等。2 三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生微波信號(hào)。3 發(fā)射喇叭天線(xiàn)：將微波發(fā)射出去。4 可變衰減器：用來(lái)控制發(fā)射波的強(qiáng)弱，其指示越大，對(duì)信號(hào)的衰減越大。5 晶體檢波器：將接收到的微波信號(hào)

8、轉(zhuǎn)變成直流電信號(hào)。6 接收喇叭天線(xiàn)：可以繞分度盤(pán)的中心旋轉(zhuǎn)，以便接收來(lái)自不同方向的微波信號(hào)。7信號(hào)線(xiàn)：將微波電信號(hào)傳遞到發(fā)射天線(xiàn)。8. 電纜：將探測(cè)到的微波強(qiáng)度的電信號(hào)傳遞到微安表。9. 支座10. 固定臂：安裝微波發(fā)射裝置。11. 可旋轉(zhuǎn)臂：安裝微波強(qiáng)度測(cè)量裝置。12 微安電流表：讀出用電流強(qiáng)度表示的微波信號(hào)的強(qiáng)度。二、數(shù)據(jù)記錄表1.單縫衍射單縫寬a= mm，微波波長(zhǎng) =32.02mm護(hù)(0)0246810121416182022241 十(mA )1 (mA )申(0)262830323436384042444648501 + (mA )1 (mA )2 雙縫衍射縫寬a= mm ,縫間距d (a b) =mm，微波波長(zhǎng)'=32.02mm半(0)0123456789101112131