验证电磁波的反射和折射定律

信息与通信工程学院实验报告

（操作性实验）

课程名称：电磁场与电磁波

实验题目：验证电磁波的反射和折射定律

一、实验目的和任务

验证电磁波在媒质中传播遵循反射定理及折射定律。

1、研究电磁波在良好导体表面上的全反射。

2、研究电磁波在良好介质表面上的反射和折射。

3、研究电磁波全反射和全折射的条件。

二、实验仪器及器件

三、实验内容及原理

电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射，本处以一块大的玻璃板作为障碍

物来研究当电磁波以某一入射角投射到此玻璃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。

电磁波斜投射到不同介质分布面上的反射和折射，为讨论和分析问题简便，下面所提到的电磁波均指均匀平面电磁波，如图 1 所示。在煤质分布面上有一平行极化波，以入射角斜投射时，入射波、反射波和折射波的电磁场可用下列公式表示：

入射波场 222(xcos xsin )20221(sin cos )e j x z E E a a βθθθθ--+=+

111(xcos xsin )01

11

j y E H e a βθθη--+=

折射波场

222(xcos xsin )20221(sin cos )e j x z E E a a βθθθθ--+=+

222(xcos xsin )02

22

j y E H e a βθθη--+=

以上各式中1η、2η分别表示波在两种媒质中的波阻抗。由边界条件可知，在分界面上x =

0 处，有*

1212,t t t t E E H H ==。同时，三种波在分界面处必须以同一速度向Z 方向传播，即它

们的波因子必须相等，则有：

*1111sin sin βθβθ= 1122

s i n s i n βθβθ= 由此得：12θθ=

上式表明，媒质分界面上反射角等于入射角，即反射定律。由式得

222111111sin sin sin v v βθθθθθβ=

=== 上式即折射定律或施耐尔定律。

图1-1 平行极化波斜投射时场量在分界面上的分布

三、实验步骤

测试良好介质的全折射，我们采用平行极化波状态，为此，须将电磁波综合测试仪的辐射喇叭与接收喇叭置于平行极化工作状态，对于测试良好导体的全反射，我们同样采取计划工作波状态

1、连接仪器。两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上。调节喇叭的朝向使得电流指示表达到最大值时固定喇叭朝向。

玻璃板放在支座上，使玻璃板所在平面与小圆盘上的0刻线对齐。玻璃板的法线方向对其0-180度。

θ；在玻璃板的背后转动活动

2、转动平台，使固定臂指针指在某一角度处，记下入射角

i

θ；在玻璃板的前方转动活动臂，当活臂，当活动臂上的微安表有最大示数时，记下折射角

z

θ。

动臂上的微安表有最大示数时，记下反射角

r

3、重复上述步骤并记录。

图1-2 仪器安装理论图

图3 实验实物图四、实验测试数据表格记录

五、实验数据分析及处理

做此项实验，入射角最好取20至60度之间。因为入射角太大接受喇叭有可能直接接受入射波。注意系统的调整和周围环境的影响

根据电磁波在玻璃板反射实验结果可以看到，反射与折射大体上遵循反射和折射定律，但与理论值存在一定偏差，主要表现在：各个角度的反射实验中反射角与入射角有一定差异。

我们认为这些差异主要由于以下实验误差引起。

1.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.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.实验中来自其他实验组的仪器干扰；各种反射和手机等的影响。

5.实验员实验过程中身体活动带来一定干扰；

6.其他实验误差。

六、实验结论与感悟（或讨论）

总结实验：对实验的感受和领悟；以及对实验中某些问题、现象、方法、数据、结果等等内容的讨论。

本次实验，我们首先进行了多次调零操作，因为发射器喇叭要求产生与仪器壁水平方向的信号，而接收器喇叭也需水平接受所传过来的信号。信号传播方向要求和中央的反射板保持垂直，如果存在一定误差角度，所得的数据将会产生严重的误差。所以在第一次实验中所得的实验数据不符合反射，折射定律。因此调整发射器方向十分重要。

根据实验数据我们可以发现，本实验在误差允许范围验证了电磁波的全反射定理。

z i θθsin /sin 的数据也在“1”左右浮动，也说明电磁波透过玻璃板以近似平行的角度传播。