电磁场与微波测量实验报告

电磁场与微波测量实验报告
学院：电子工程学院
班级： 2011211207
组员：王龙-2013210998
刘炜伦-2013210999
黄斌斌-2013211000
实验一电磁波反射和折射实验
一、实验目的
1.熟悉S426型分光仪的使用方法
2.掌握分光仪验证电磁波反射定律的方法
3.掌握分光仪验证电磁波折射定律的方法
二、实验设备与仪器
S426型分光仪，金属板，玻璃板
三、实验原理
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磁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。

四、实验内容与步骤
（一）金属板全反射实验
1.熟悉分光仪的结构和调整方法。

2.连接仪器，调整系统。

图1 反射实验仪器的布置
如图1所示，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，指示两喇叭的位置的指针分别指于工作平台的90刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座，拉起平台上的四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。

3.测量入射角和反射角
反射金属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。

而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应90度的一对刻线一致。

这是小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。

转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度读书就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角。

如果此时表头指示太大或太小，应调整衰减器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。

做此项实验，入射角最好取30°至65°之间，因为入射角太大或太小接收喇叭有可能直接接收入射波。

做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响
（二）玻璃板上的反射和折射实验
步骤1、2如金属板全反射实验步骤1、2所示
3、（1）测总能量：将两喇叭口正对，通过可变衰减器调整微波幅度的大小（通过电流大小来反映），尽量使其接近满偏，读出电流表读数，记录下来
（2）测玻璃板反射的能量：反射玻璃板放到支座上时，应使玻璃板平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致。

而把带支座的玻璃反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与玻璃板平面一致的刻线与小平台上相应90度的一对刻线一致。

这是小平台上的0刻度就与玻璃板的法线方向一致。

调整入射角（30度到65度之间），在相应的反射角处测出对应的电流表读数
（3）测透射过玻璃板的能量：调整入射角（30度到65度之间），接收喇叭口对应玻璃板的另一面，慢慢转动接收喇叭口活动臂，找到电流表读数最大的角度，即为折射角，读出此时的电流表示数。

五、实验数据与处理
1、金属板全反射实验
实验数据及处理如下表所示。

金属板全反射实验数据表
2、玻璃板上的反射和折射实验
实验数据及处理如下表所示。

玻璃板上的反射和折射实验数据表
3、实验误差分析
从金属板全反射实验的数据可以看出，基本上遵循反射定律，入射角与反射角近似相等，但与理论值存在一定的偏差，不完全相等。

从玻璃板上的反射和折射实验数据来看，反射系数折射系数之和略小于1，但也基本符合透射系数反射系数之和为1的结论。

可能引起实验误差的因素有以下几个：
1、由于只能用肉眼进行喇叭口方向和金属板、玻璃板的调整，个喇叭口与活动臂不完全在同一直线上，放置金属板、玻璃板时板面与小平台上90度刻线无法完全一致；
2、确定反射角、折射角时由于仪器的灵敏度不高，容易示数变化延迟，或者因为幅度摆动太小无法观察到，使入射角反射角角度出现误差；读取电流值时由于指针时常摆动造成读数不准；
3、入射角较大时接收到的反射电磁波可能已部分直接来源于入射源；
4、由于实验室中仪器较多，实验中容易受到来自其他实验组的仪器干扰；
六、思考题
1.在衰减器旁边的螺钉有什么作用？
答：可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大，通过调节衰减器旁边的螺达到调节微波信号幅度的大小
2.电磁波的反射和激光的反射有何相同之处以及不同之处。

答：相同之处：两者都遵循电磁波的反射定律和折射定律
不同之处：电磁波的反射波聚拢度较低，分散较大，互相存在干扰，而激光的聚拢度很高，实验结果更为精确。

3.测量反射角过程中，出现几次极大值？为什么。

答：两次，因为反射波聚拢度低，传输过程中分散成更小波束，相互之间会产生干涉，因此会出现两次峰值。

4.透射系数和反射系数相加是否等于1？为什么，进行误差分析。

答：不等于，略小于1。

造成误差的可能原因为：
(1)由于电流表的灵敏度不高，容易示数变化延迟，或者因
为幅度摆动太小无法观察到，使入射角反射角角度出现误差，没
有在相应的角度测得最大的（正确的）反射强度和折射强度；电
流表读数时有读数误差
(2)来自于其他组的干扰，在测总能量时可能接收到了来自
其他组的电磁波信号，使结果出现误差
实验二单缝衍射实验
一、实验目的
掌握电磁波的单缝衍射时衍射角对衍射波强度的影响。

微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象。

因此用微波作光波波动实验所说明的波动现象及其规律是一致的。

由于微波的波长比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，所需要设备制造也较容易。

本实验就是用微波分光仪，演示电磁波遇到缝隙时，发生的单缝衍射现象。

二、实验仪器
S426型分光仪，单缝衍射实验板
三、实验原理
如图2所示，当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时，就要发生衍射的现象。

在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，同时也最宽。

在中央的两侧衍射波强度迅速减小，直至出现
衍射波强度的最小值，即一级极小，
，
其中λ是波长，a 是狭缝宽度。

两者取同一长度单位，然后，随着衍射角增大，衍射波强度又逐渐增大，直至出现一级极大值，角度为：。

图2 单缝衍射原理
132Sin λα-⎛⎫=• ⎪⎝⎭max φ
四、实验内容与步骤
实验仪器布置如图3，仪器连接时，预先需要调整单缝衍射板的缝宽，当该板放到支座上时，应使狭缝平面与支座下面的小圆盘上的某一对刻线一致，此刻线应与工作平台上的90°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180°处，此时小平台的0°就是狭缝平面的法线方向。

这时调整信号电平使表头指示接近满度。

然后从衍射角0°开始，在单缝的两侧使衍射角每改变2°读取一次表头读数，并记录下来，这时就可画出单缝衍射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。

图3 单缝衍射实验仪器的布置
五、实验数据处理和误差分析
1、实验中分别使用缝宽a=70mm、50mm、20mm的单缝衍射板进行
实验，电磁波的波长均为32mm。

实验数据表格如下表。

单缝衍射实验数据表
2、绘制衍射曲线如下（由于右侧强度数据大部分无法测得，故
只绘制左侧强度曲线）：
衍射强度与角度关系曲线（a=70mm）
衍射强度与角度关系曲线（a=50mm）
衍射强度与角度关系曲线（a=20mm）
3、一级极大、极小理论值与实验值的比较和误差分析
（在第三组实验中，缝宽a=20mm小于波长，此时不存在衍射，不进行比较）
缝宽70mm时实验数据与理论值比较
缝宽50mm时实验数据与理论值比较
从表格中可以看到，尽管实验数据和理论数据存在一定的差异，但大体上两者是吻合的。

误差的来源可能为：
(1)仪器的灵敏度不高，容易示数变化延迟，或者因为幅度摆动太小无法观察到，使确定极大值极小值出现误差；
(2)来自其他实验组的电磁干扰。

实验一和实验二实验总结
本次我们进行了电磁波的反射和折射实验、单缝衍射实验，主要实验仪器为S426型分光仪。

这是我们第一次使用这套器材，这次实验通过我们已经比较熟悉的物理现象和物理结论，使我们迅速地掌握了这套器材的基本使用方法，为我们以后用这套器材做更为复杂的实验奠定了基础。

同时，经过这次的实验，我们对这套仪器的实验误差的来源有了比较系统的了解，我们要尽量去减小这些误差来源，使测得的实验数据更为精确。

列出使用这套仪器的注意事项如下：
(1)实验前必须先调整好仪器，使喇叭口与固定臂、活动臂在同一直线上；
(2)电流表的灵敏度不高，会有一定的延迟，转动活动臂时速度要缓，不能过急；读数不明显或变化不明显时要注意灵活调整衰减器，从而调整发射电磁波的强弱；
(3)同一实验室有多套S426型分光仪同时在使用时，相互间的干扰较为严重，实验数据与理论值差距较大时，可以考虑是否有其他实验组的电磁波对此造成了干扰，可以通过使用金属板遮挡减小干扰。

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