中南大学电磁场与电磁波实验报告.docx
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中南大学电磁场与电磁波实验报告
电磁场与电磁波
实验报告
姓名：
学号：
班级：
实验一电磁波反射实验
一、实验目的
1.掌握微波分光仪的基本使用方法；
2.了解3cm信号源的产生、传输及基本特性
3.验证电磁波反射定律。
二、实验原理
反射光一侧的电流值代表反射光的强度，所以反射角的位置由反射光一侧最大电流确定。
三、实验内容与步骤
1.校准仪器，使两喇叭口对正
2.固定反射板
3.设置信号源
4.调节可变衰减器
5.设置波的频率
6.改变入射角角度，将测量结果记录下来
●步骤1中：
对正具体做法是：
保证轴线在一条直线（指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的0-180刻度处），不断调整喇叭口朝向，使电流表的读数最大。
●步骤2中：
使金属板平面与小圆盘上的90-90刻线对齐，使小平台上的0刻度就与金属板的法线方向一致。
●步骤3中：
打开信号源开关，将三厘米固态信号源设置在:
“电压”和“等幅”档，电压设置为12V.
●步骤4中：
使活动臂上微安表的读数为满量程的80%左右。
●步骤5中：
调节可变衰减器一侧的旋钮，使频率符合实验要求（9.37GHz、8.8GHz）
●步骤6中：
转动微波分光仪的小平台，使固定臂指针指在刻度为30度处（即入射角），然后由左向右转动活动臂，使得表头指示最大，此时即为反射角度数，记下该角度读数。
然后分别将固定臂指针指在刻度为40度、45度、50度、60度、80度处，重复上述操作，并记下相应的反射角读数。
四、实验数据记录及处理
（1）
入射角
（度）
测量角度（度）/该角度处的电流表读数（uA）
反射角
（度）
第一次测量
第二次测量
第三次测量
第四次测量
第五次测量
30
32.5/77uA
32/80uA
32/80uA
31/60uA
30.5/62uA
31.8
40
41/79uA
39/78uA
40/82uA
39/62uA
42/58uA
40.4
45
43.5/81uA
45/85uA
45.5/85uA
42.5/65uA
46/63uA
44
50
48/80uA
47/90uA
47/90uA
51/58uA
52.5/68uA
49
60
58/92uA
58/98uA
58/92uA
60.5/67uA
60/65uA
58.8
（2）
入射角
（度）
测量角度（度）/该角度处的电流表读数（uA）
反射角
（度）
第一次测量
第二次测量
第三次测量
第四次测量
第五次测量
30
28.5/58
30.5/58
29/60
31.5/58
29.5/61
29.8
40
41/61
39.5/61
39/62
38/62
42/60
39.9
45
45/62
45.5/62
46.5/62
43.5/59
47/58.5
45.5
50
47/62
49.5/66
51/58
48.5/57.5
52/58
49.6
60
58/76
61/72
60.5/59
59/61
62.5/66
60.2
五、实验分析
（1）由多次测量取平均值的实验结果来看，在误差允许的范围内，入射角等于反射角，验证了反射定律。
（2）引起误差的主要原因，除了客观因素（实验器材本身）和人为因素（读数不准确）外，还包括
1.实验开始时喇叭口校准不到位
2.实验过程中不小心造成的已校准过的喇叭口的偏移
3.来自其他实验组的干扰
（3）实验过程中测量所得的角度是反射光最强的处对应的角度，角度的偏差是由（3）中所述的误差原因造成的。
（4）实验过程中测量所得的电流表读数是在反射光一侧的电流最大值，代表反射光的强度。
反射光在传播过程中会有损耗，所以反射光强度不严格等于入射光的情况是合理存在的。
若反射光强度大于入射光强度，极可能是其他实验组产生干扰而造成的。
实验二单缝衍射实验
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，测量并验证单缝衍射现象的规律。
二、实验原理
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，此时衍射角为
，其中
是波长，
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2.2单缝衍射仪器配置
三、测量方法与步骤
1.调节可变衰减器，设置一个合适的频率
2.调节衍射版缝宽
遵循缝宽和波长可比拟的原则，其中波长为c/f（f为1中设置的频率，c取真空中的光速）
3.固定衍射版
将单缝衍射板安放在刻度盘上，衍射板的边线与刻度盘上两个90°对齐
4.校准仪器，使两喇叭口对正
调整发射天线使其和接收天线对正。
转动刻度盘使其180°的位置正对固定臂（发射天线）的指针，转动可动臂（接收天线）使其指针指着刻度盘的0°处，使发射天线喇叭与接收天线喇叭对正。
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°
5.改变衍射角角度，将测量结果记录下来
将微波分光仪的活动臂转到衍射角为－50°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＋50°。
四、实验数据记录及处理
1.单缝衍射
单缝宽a=50mm，微波波长
=32mm
-50
-48
-46
-44
-42
-40
-38
-36
-34
-32
-30
-28
-26
0
2
4
4
0
0
2
1
0
2
6
12
12
-24
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
14
26
52
66
66
70
70
66
78
90
100
98
98
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
80
88
88
77
50
444
84
88
62
30
8
10
18
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
52
22
10
2
4
13
18
18
22
30
24
6
1
1
2、由实验数据绘制
曲线。
3、从上面的曲线可以读出一级极小和一级极大值（度），并同理论值进行比较
左
右
理论值
测量值
理论值
测量值
一级极小值
39.79
34
39.79
32
一级极大值
73
44
73
46
五、实验分析
●由实验数据观察可知，可以发现当一平面波入射到和波长可比拟的狭缝时，会发生衍射现象，并且缝后面的衍射波强度并不是均匀的，中央最强，也最宽，在中央的两侧衍射波强度迅速减小。
●在误差允许的范围内，符合单缝衍射现象的规律
●实验的误差主要来自三个方面：
1、环境因素：
由于实验室同时有多台实验装置同时进行实验，电磁波的衍射反射折射导致的相互间的电磁波干扰较大，所以环境因数时刻随着周围同学的实验过程在变，导致了一些测量的不规律波动，产生误差
2、实验装置因素：
实验装置没有校准好就进行实验，导致一些系统误差的产生，比如，我们组的实验仪器的发射器就出现了发射器的喇叭没有与固定臂调整完全平行，导致测量角度普遍存在与实际值的偏差，在后来重新校准后测量结果才精确。
3、人为因素：
由于实验室的环境因素的影响，导致接收电流一直在某个读数附近波动，无法稳定，给我们的读数照成一定的误差。
●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。
●为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器、观察衍射强度分布，尽可能将中央极大值的位置调整在0°处。
实验三自由空间中电磁波参量的测量
一、实验目的
1.了解电磁波的空间传播特性；
2.通过对电磁波波长、波幅、波节的测量进一步认识和了解电磁波。
二、实验原理
当两个频率相同、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强，而另一些点的振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。
迈克尔逊干涉原理
若固定金属板A，移动金属板B，只改变第二列波的波程，让两列波发生干涉，当合成波振幅最大时，可得：
当合成波振幅最小时，可得：
由最大振幅到最小振幅的最短波程差为
。
若移动金属板的距离为
，则有
。
实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设
为第一个极小值的位置，
为第（n+1）个极小值的位置，
，则波长
。
三、实验步骤
1、连接仪器
按下图连接仪器。
2、校正仪器
使两喇叭口面互成90度。
3、固定半透射板
半透射板与两喇叭轴线互成45度。
4、固定反射板
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，再插上反射扳，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。
5、调节衰减器
按信号源操作规程接通电源，调节衰减器使信号电平读数指示合适值。
6、移动反射板，读数
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，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离L，则波长
五、实验数据记录
第一最小点
第二最小点
第三最小点
第四最小点
最小点位置
16
32
48
65
最大点位置
9
25
41
58
六、实验分析
1.根据实验测得数据，计算信号源波长为：
2.相关公式计算出信号源的其它参数
相位常数
波速
频率
3.误差分析：
●环境因素：
由于实验室同时有多台实验装置同时进行实验，电磁波的衍射反射折射导致的相互间的电磁波干扰较大，所以环境因数时刻随着周围同学的实验过程在变，导致了一些测量的不规律波动，产生误差
●实验装置因素：
（1）实验装置没有校准好就进行实验，导致一些系统误差的产生，比如，我们组的实验仪器的发射器就出现了发射器的喇叭没有与固定臂调整完全平行，导致测量角度普遍存在与实际值的偏差，在后来重新校准后测量结果才精确。
（2）发射天线和接收天线不能调到绝对的水平和垂直，反射金属板不是绝对的平面，读数机构不能稳稳地固定在底座上。
●人为因素：
由于实验室的环境因素的影响，导致接收电流一直在某个读数附近波动，无法稳定，给我们的读数照成一定的误差。
4.减小误差的方法：
（1）选定合适的实验仪器。
（2）严格按照实验步骤、方法操作。
（3）熟练掌握各种测量器具的使用方法，准确读数
（4）改进测量方法
（5）对仪器进行严格的校对、调整。
实验四均匀无耗媒质参量的测量
一实验目的
1.利用电磁波的干涉原理，研究均匀无耗媒质参量
的测量方法；
2.熟悉均匀无耗媒质分界面对电磁波的反射和透射特性。
二实验原理
图4.1介质参数测量原理图
在上一个实验的基础上，在固定反射板前放一块待测介质板，其相对介电常数为
，厚度为d，这样固定反射板的电磁波的波程差将会增加，为了得到新的极小点位置，必需将可移动反射板向右移
，待测介质板的相对介电常数
与
之间满足：
。
三实验步骤
1、连接实验仪器
2、校正仪器
使两喇叭口面互成90度。
3、固定半透射板
半透射板与两喇叭轴线互成45度。
4.固定待测介质板和反射板
在固定反射板前，放一块待测介质板，必须紧贴固定反射板。
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，再插上反射扳，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。
5.向右调节可移动反射板，使得电表指示读数达到新的最小值，并记录此时最小点位置读数。
该读数与未加介质板时的读数相减，得到一个
，连续移动可移动反射板，得到若干个
值，取算术平均值，得到一个较为准确的
。
6.用卡尺测量待测介质板的厚度
。
五实验数据记录与处理
1、介质板1的厚度：
d=（4）（mm）
极小点个数
1
2
3
4
平均值
新极小点位置（mm）
6
21
37
53
29.25
原极小点位置（mm）
16
32
48
65
40.25
极小点位置偏移量（mm）
10
11
11
12
11
介质的
14.0625
14.0625
14.0625
16
14.0625
2、介质板2的厚度：
d=（4）（mm）
极小点个数
1
2
3
4
平均值
新极小点位置（mm）
8
24
40
57
32.25
原极小点位置（mm）
10
32
48
65
40.25
极小点位置偏移量（mm）
8
8
8
8
8
介质的
9
9
9
9
9
六实验分析
误差分析：
1.实验中实验台一起摆放可能达不到严格的标准要求，如两个喇叭口没有完全对齐
2.仪器精度没有达到要求；
3.介质板的厚度不均，导致测出d有误差。
造成实验的误差。
4.电表的灵敏度造成实验误差。
5.读数时存在读数误差
6.实验过程中受到其他实验组的干扰
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