哈工大电磁场与电磁波实验报告

电磁场与电磁波实验报告
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实验一电磁波的反射实验
1.实验目的：
任何波动现象（无论是机械波、光波、无线电波），在波前进的过程中如遇到障碍物，波就要发生反射。

本实验就是要研究微波在金属平板上发生反射时所遵守的波的反射定律。

2.实验原理：
电磁波从某一入射角i射到两种不同介质的分界面上时，其反射波总是按照反射角等于入射角的规律反射回来。

如图（1-2）所示，微波由发射喇叭发出，以入射角i设到金属板M
M',在反射方向的位置上，置一接收喇叭B，只有当B处在反射角i'约等于入射角i时，接收到的微波功率最大，这就证明了反射定律的正确性。

3.实验仪器：
本实验仪器包括三厘米固态信号发生器，微波分度计，反射金属铝制平板，微安表头。

4.实验步骤：
1）将发射喇叭的衰减器沿顺时针方向旋转，使它处于最大衰减位置；
2）打开信号源的开关，工作状态置于“等幅”旋转衰减器看微安表是否有显示，若有显示，则有微波发射；
3）将金属反射板置于分度计的水平台上，开始它的平面是与两喇叭的平面平行。

4）旋转分度计上的小平台，使金属反射板的法线方向与发射喇叭成任意角度i，然后将接收喇叭转到反射角等于入射角的位置，缓慢的调节衰减器，使微
μ）。

安表显示有足够大的示数（50A
5）熟悉入射角与反射角的读取方法，然后分别以入射角等于30、40、50、60、70度，测得相应的反射角的大小。

6）在反射板的另一侧，测出相应的反射角。

5.数据的记录预处理
记下相应的反射角，并取平均值，平均值为最后的结果。

5.实验结论：ϕ的平均值与入射角0ϕ大致相等，入射角等于反射角，验证了波的反射定律的成立。

6.问题讨论：
1.为什么要在反射板的左右两侧进行测量然后用其相应的反射角来求平均值？
答：主要是为了消除离轴误差，圆盘上有360°的刻度，且外部包围圆盘的基座上相隔180°的两处有两个游标。

，不可能使圆盘和基座严格同轴。

在两者略有不同轴的情况下，只读取一个游标的读数，应该引入离轴误差加以考虑——不同轴的时候，读取的角度差不完全等于实际角度差，圆盘半径偏小
（即圆盘的轴比基座的轴更近）的这一侧测得的角度差比实际偏小，反之偏大——因此在相隔180°的两处设置游标，两次读得的角度差数据进行平均，就可以有效地消除离轴误差。

2.电磁波的特点？
答：电磁波为横波。

电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直，其速度等于光速c（3×10^8m/s）。

在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。

三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质，同频率的电磁波，在不同介质中的速度不同。

不同频率的电磁波，在同一种介质中传播时，频率越大折射率越大，速度越小。

且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播，若同一种介质是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。

通过不同介质时，会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。

电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。

波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波动性。

衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

3.电磁波的分类？
答：无线电波3000米～0.3毫米（微波0.1~100厘米）
红外线0.3毫米～0.75微米
可见光0.7微米～0.4微米
紫外线0.4微米～10纳米
X射线10纳米～0.1纳米
γ射线0.1纳米～1皮米
高能射线小于1皮米
传真（电视）用的波长是3～6米
雷达用的波长在3米到几毫米。

实验二 电磁波的偏振实验
1、实验目的 通过实验研究来进一步熟悉电磁波的偏振特性。

2、实验原理
喇叭天线的增益大约是20分贝，当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是垂直水平面的直线偏振波，假设该直线偏振波在
接收喇叭处强度为
α2
0cos ⋅=I I 其中α是I 与0I 之间的夹角，这就是光学中关于光强分布的马吕斯定律。

本实验所用接收喇叭是和一段旋转短波导连在一起的，从而可在旋转波导的
轴承环的0
90范围内旋转，当接收喇叭与发射喇叭之间的夹角为α，则接收的信
号强度是
α20cos ⋅=I I 。

因此，转动接收喇叭，就可得到转角与微安表的一组数据，并可与马吕斯定律相比较。

3、实验步骤
首先把发射喇叭和接收喇叭调到一条直线上，旋转平台上的定位销，使悬臂固定，此时，使波导的指示在零度处。

调节衰减器，使微安表的指示足够大（60A μ）作为0I 。

然后旋转接收喇叭，0
090~0每隔010记下相应的电流强度。

然后从0
00~90每隔010记下相应的电流强度。

4、数据的记录与处理
5、结果分析与心得
通过两次实测电流平均值和理论计算值相比较，可以看出实验结果可以
验证马吕斯定律：
α2
0cos I I =。

类似于光的偏振现象，线极化电磁波经过旋转一定角度的矩形波导，会使强度减弱并满足上述定律。

另外，当电流较大时，相对误差较小，随着电流的减小，相对误差增大，电流表示数有时不稳和读数误差是引起这个现象的原因。

6、思考题
（1）光波作为电磁波的一种，满足马吕斯定律，而本实验验证了电磁波的马吕斯定律，即线极化波经过矩形波导后强度的变化关系满足α20cos I I =，其
中α为接收端波导转动的角度。

（2）本实验中，旋转矩形波导90°后，强度为0，若为圆极化波或混合极化波，则不会出现强度为零的情况。

实验三 双缝干涉
1、实验目的
通过实验观察并测量双缝干涉的现象及特性。

2、实验原理
r
v
1
φ
如图 3 所示，在一块金属板上相隔 b 有两个宽度
a
b
同为a 的缝隙，当电磁波垂直入射到该金属板上时，
在两个缝上均产生感应磁流，这两个缝隙可以看成为两
r
v
2
个天线，金属板背面的场是这两个缝隙辐射场的叠加
a
（干涉的结果）。

当 b 的值较大时，即忽略两个缝隙之间的相互影
响，则金属背面的场为
E E 1 E 2
其中 E 1 和E 2分别为两个缝隙辐射的场，因为金属板与入射线垂直，则两个缝 隙上的感应磁流相同，即
{][}][[
]][[]
θθϕϕsin )(sin 212/sin )(1sin )(1sin )(11111111121b a k e e jE e e E e e E e E e E E b a r jk jkr b a r jk jkr b a r jk jkr jkr jkr +=+=+=+=+---+---+-----
则总场的幅度为
E = 2E 1 sin[k (a + b )sin θ]
因此当
sin[k (a + b )sin θ ]/ 2 = 1
即
[k (a + b )sin θ ]/ 2 = (2n +1)π / 2 ，
⎥⎦
⎤
⎢
⎣⎡++=-b a n λϕ212sin 1
时，总场（干涉场）出现减弱）
当
sin[ k ( a + b )sin θ ]/ 2 = 0
即
[k (a + b )sin θ ]/ 2 = n π
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡+=-b a n
λϕ1sin 时，总场（干涉场）出现加强。

3、实验系统构建
(1) 发射、接收喇叭安装同实验一，取工作波长λ = 32mm ； (2) 调节双缝铝板，使缝的宽度为a = 40mm ，b =130mm ；
(3) 将双缝板安装到支座上，使铝板平面与小圆盘上的某一对刻度线一致，
此刻度线应与工作台上的900 刻度的一对线一致；
(4) 转动小平台使固定臂的指针指向小平台的1800 处，此时小平台的00 就是 缝隙平面的法线方向；
图 6 双缝干涉实验系统及双缝板
4、实验步骤
(1)按照信号源操作规程接通电源；
(2)调节衰减器使微安表的读数指到合适位置（80ìA）；
(3)从衍射角00开始，每改变20读取一次表头读数，并记录下来。

做完实验后关闭电源，将衰减器的衰减调至最大。

5、实验数据
从表中可以读出一级极小的角度约为5°，一级级大的角度约为10°
由公式推导出一级极小的角度为5.4°，以及极大的角度约为10.8°，实验结果与理论值相符。

实验现象的分析和讨论：
双缝干涉实验中，发射喇叭发射的能量经过双缝后，在空间形成了干涉现象，随着衍射角的变化，接收喇叭可以接收到各个方向的能量，通过能量的大小变化，就可以粗略获知双缝干涉图样，通过左右两个方向的旋转观察，也减小了单侧观察可能出现的误差，消除了离轴误差，实验结果具体情况可见上图，结果显示，极小与极大角度实测值与理论值基本符合。

光强方面，向右旋转时，角度越大极大值越小，符合理论效果，而向左旋转时却与理论情况有所出入，经过讨论发现，多组均出现类似情况，这可能是系统固有误差。