微波光特性中文实验资料

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1、 1 图 1 单缝衍射示意图 微波综合实验 微波和光波都是电磁波 都具有波动性 能产生反射 衍射 干涉及折射等现象 微波 的波长在一毫米到一米之间 在电磁波谱中其短波长一端与远红外光波相连接 在长波长一 端与超高频无线电波相连接 许多可见光和其它波长的电磁波的性质 都可以用微波来再现 只是由于波长不同 波动现象的尺度不同而已 由于微波的波长和光波的波长在量级上差一 万倍左右 因此用微波设备作波动实验比光学实验要更直观 方便和安全 所需要的设备制 造也较容易 一 实验目的 1 了解微波分光仪的结构 学会调整它并能用它进行实验 2 进一步认识电磁波的波动性 测量并验证反射 单缝衍射 双缝衍射及布拉

2、格衍射 等实验的规律 3 了解物理量相对测量的特点和研究方法 学习如何分析和消除系统误差 学习如何利 用实验理论 通过比较理论结果与实验结果得出实验结论的方法 二 实验原理 1 反射实验 电磁波在传播过程中如遇到障碍物 必定要发生反射 本处以一块大的金属板作为障碍 物来研究当电波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律 即反射线在入射线和通 过入射点的法线所决定的平面上 反射线和入射线分居在法线两侧 反射角等于入射角 仪器连接时 两喇叭口面应相互正对 它们各自的轴线应在一条直线上 反射金属板放 到支座上时 应使金属板平面法线方向与小平台上的 00刻度一致 转动小平台 使固定臂 指针在某一角

3、度处 这个角度就是入射角 然后移动活动臂上的指针所指的刻度就是反射角 做这项实验 入射角最好取 300至 650之间 因为入射角太大接收喇叭有可能直接接收入射 波 2 单缝衍射实验 由微波分光仪的发射天线发出的微波是在一定范围 内的平面波 如图 1 所示 当平面波入射到缝宽为a的单 缝上就会发生衍射 在不同方向上可以由接收天线接收到 不同强度的微波 在各衍射方向上的微波可以看作是这个 方向上小范围内的平面波 接收天线将其汇聚到一起来 因此可以认为这种衍射是夫琅和费衍射 单缝夫琅和费衍射的光强分布为 2 图 2 双缝衍射示意图 2 2 0 sin sin sin a a IIP 1 当衍射角 0

4、 时 衍射波的强度最大 称为中央极强 它有一定的宽度 在中央极强 两侧 衍射波的强度迅速减小 直至出现衍射波强度的极小值 即一级极小 可以证明正一 级极小的衍射角为 sin 1 1 a 同样 负一级极小的衍射角为 sin 1 1 a 如果定义两个一级极小之间的夹角为中央极强的角宽度 则中央极强的角宽度为 sin2 1 a 我们还可以证明各级极小的衍射角 满足 sin 1 a k k k 1 2 3 分别称为一级极小 二级极小 三级极小 除中央极强外 其余各级衍射极大的衍射角近似满足 2 12 sin 1 a k k k 1 2 3 分别称为一级极大 二级极大 三级极大 仪器连接时 预先接需要调

5、整的单缝衍射板的缝宽 当该板放到支座上时 应使狭缝平 面与支座下面的小圆盘的某一刻度线一致 此刻度线应与工作平台上的90o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180o处 此时小平台的0o就是狭缝平面的法线 方向 这时调整信号的电平使表头的指示接近满刻度 然后从衍射角0o开始 在单缝的两 侧使衍射角每改变1o读取一次表头读数 并记录下来 这时就可画出单缝衍射的强度与衍射 角的关系曲线 并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角 并与实验曲线上 求得的一级极小和极大的衍射角进行比较 此实验曲线的中央较平 甚至还有些许的凹陷 这可能是由于衍射板还不够大的缘故 3 双缝干涉实

6、验 如图 2 所示 当一平面波垂直入射到一金属板的两条 狭缝上 则每一条狭缝就是次级波波源 两缝发出的次波 是相干波 因此在金属板的背后空间中 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 则可以证明双缝衍射光强为 v u u IIP 2 2 2 0 cos sin 4 2 上式中 sin a u sin ba v 各级极大对应的衍射角为 3 sin 1 ba K K K 0 1 2 3 分别称为中央极大 一级极大 二级极大 各级极小对应的衍射角为 2 12 sin 1

7、ba K K K 0 1 2 4 分别称为一级极小 二级极小 三级极小 例如 32 40mm amm b 30mm 这时单缝的一级极小接近53o 因此取较大 的b 双缝的间距为ab 则干涉强度受单缝衍射的影响小 当b较小的时候 干涉受 单缝衍射的影响大 4 迈克尔逊干涉实验 迈克尔逊干涉实验的基本原理如图 3 所示 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 2

8、 的整数倍 则 干涉加强 当位相差为 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到另一次极小时 则 B 处的反射板就移动 2 的距离 因此 有这个距离就可求得平面波的波长 实验中两个喇叭口面互成 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 在 插上反射板 使固定反射板的法线与接收喇叭的 轴线一致 可移反射板的法线与发射喇叭轴线一 致 实验时 将可移反射板移到读数机构的一端 在此附近测出一个极小的位置 然后旋转读数机 构上的手柄使反射板移动 从表头上测出 n 1 个 极小值

9、并同时从读数机构上得到相应得位移读 数 从而求得可移反射板的移动距离 L 则波长 2L n 5 偏振实验 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 这样的横电波叫线极化波 在光学中也叫线偏振波 电磁场沿某一方向的能量有 sin2 的关系 这就是光学中的马吕斯定律 I I0cos2 式中 I 为 偏振光的强度 是 I 和 I0 间的夹角 仪器连接时 两喇叭面互相平行 并与地面垂直 其轴线在一条直线上 由于接收喇叭 是和一段旋转短波导连在一起的 在旋转短波导的轴承环的 900范围内 每隔 50有一刻度 所以接收喇叭的转

10、角可以从此处读到 因此转动接收喇叭 就可以得到转角与微安表头指示 的一组数据 并可以与马吕斯定律进行比较 图 3 迈克尔逊干涉实验的基本原理 4 6 布拉格衍射实验 任何的真实晶体 都具有自然外型和各向异性 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有关 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 真实的晶格常数约在 8 10 cm 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 本实验是仿照 X 射线入

11、射真实晶体发生衍射的基本原理 人为的制作了一个方形点阵 的模拟晶体 以微波代替 X 射线 使微波向模拟晶体入射 观察从不同晶面上的点阵的反 射波产生干涉应符合的条件 这个条件就是布拉格方程 它是这样说的 当波长为 的平面 波射到间距为a的晶面上 入射角为 当满足条件2 cosna 时 n为整数 发生衍 射 衍射线在所考虑的晶面的反射方向 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 是为了在实验时方便 因为当被研究晶面的法线与分光仪上的度盘 的0o刻度一致时 入射线与反射线的方向在度盘上有相同的示数 不容易搞错 操作方便 实验中除了两个喇叭的调整 要注意的是模拟晶体球应用模

12、片调得上下左右成一方形的 点阵 模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销了上 当把模拟晶体放到 小平台上时 应使模拟晶体架在下面小圆盘的某一条与所研究晶面法线一致的刻线与度盘上 的0o刻线一致 为了避免两喇叭之间波的直接入射 入射角取值范围最好在 3070 oo 到之间 三 实验装置 微波分光仪的结构如图 4 所示 固态信号发生器产生一个与微波频率相同的电流 经过 天线发出需要的具有平面波振面的微波 微波经过衍射板后 到达接收天线再将强度转变成 一个相应的电流强度 并由微安表显示出来 图 4 微波分光仪的结构图 5 各部分及其作用简介如下 1 0 360 分度转盘 均匀刻有 360

13、 刻度 可以读出接收天线所在方位 所在平 台可放置各种实用附件 如单缝衍射板 反射板 双缝衍射板 布拉格晶体模型等 2 喇叭天线 将微波发射出去 接收喇叭天线 可以绕分度盘的中心旋转 以便接 收来自不同方向的微波信号 3 可变衰减器 用来控制发射波的强弱 其指示越大 对信号的衰减越大 4 晶体检波器 将接收到的微波信号转变成直流电信号 5 三厘米固态信号发生器 产生微波信号 6 电缆及微安电流表 将探测到的微波强度的电信号传递到微安表 并读出用电流 强度表示的微波信号的强度 7 反射板 8 单缝衍射板 9 双缝衍射板 10 半透明板 11 布拉格晶体模型 12 读数机构 13 支座 14 支柱

14、 15 模片 四 实验内容 将微波分光仪的工作电流选择在预热档 接通电源 预热 20min 然后拨向等幅档 调 整工作电流及衰减器 使微安表读数适中 调节接收喇叭 使两喇叭对正 使之接受信号最 大 反射实验 装上反射板 使其法线与刻度盘上的 0o线一致 固定在刻度盘上 转动圆盘 使固定臂指针指向某一角度 即入射角 然后转动活动臂 找到一个最 大接收位置 这个位置所对应的角度为反射角 每隔 5o做一次 记录所对应的位置 从左 右方向入射 各做一次 取平均值 验证反射定律 单缝干涉 将固定臂和活动臂的指针分别指向 180o和 0o线处 装上单缝板 使其表面与圆盘上的 90o线重合 缝宽控制在 70

15、mm 依次微调发射喇叭 衍射板 接收喇叭 使衍射强度分布的中央极大位于 0 调 节发射和接收衰减器 使中央极大值的信号电平处于 85 95 在 50 0 的范围 内转动接收天线 观察衍射强度分布 认为分布合理后开始测量 将微波分光仪的活动臂转到衍射角为 70 0 后开始读数 衍射角每改变 2 读取一次 微安表的读数并作好记录 一直读到衍射角为 70 画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线 求出一级极大和一级极小 并且与理论计 算出来的相应角度进行比较 双缝干涉 按单缝衍射步骤进行 使缝宽 a 40mm 间隔 b 30mm 6 应用公式计算比较出相长干涉角和相消干涉角 与实验求出的相应角度进行比较

16、迈克尔逊干涉 使固定臂和活动臂分别指向 0o和 90o处 固定活动臂 装上透射板 使法线对准圆 盘上的 45o线 并固定之 分别装上反射板 应相互垂直 其法线应与喇叭的轴线一致 移动反射板 通过旋转读数机构上的手柄 在表头上读出 n 1 个极小值 并同 时从读数机构上读出相应各个极小值的读数 求出可移反射板移动的总距离 根据 公式求出 偏振实验 两喇叭面互相平行 并与地面垂直 其轴线在一条直线上 转动接收喇叭 每隔 5o做一次 记录转角所对应的微安表头指示值 画出偏振光的相对强度与转角的关系曲线 并与马吕斯定律进行比较 布拉格衍射 将模拟晶体排成方形点阵 放在圆盘上 使待侧面 面和 面 法线与 圆盘上 0o垂直 并固定 转动圆盘 使固定臂指针指在某一角度即入射角 将活动臂转至反射角方向 使反 射角等于入射角 读出微安表读数 改变入射角 每隔 2 测一次数据 左右各做一次 取平均值 画出衍射角曲线 并求出相应的衍射角 注意事项 1 衰减器调整要适当 太小则观察不便 太大则可能使电流表指针满偏 2 单缝衍射实验时每隔 2 记录一次 双缝衍射时每隔 1 记录一次 3 为保证实验结果能与理论结