微波光學(xué)試驗

1、微波光學(xué)實驗實驗十六實驗內(nèi)容1了解微波分光儀的結(jié)構(gòu)，學(xué)會調(diào)整它并能用它進(jìn)行實驗。2進(jìn)一步認(rèn)識電磁波的波動性，測量并驗證單縫衍射和雙縫衍射的規(guī)律。 教學(xué)要求1了解物理量相對測量的特點和研究方法。2學(xué)習(xí)如何利用實驗理論，通過比較理論結(jié)果與實驗結(jié)果得出實驗結(jié)論的方法。 實驗器材微波分光儀微波和光波都是電磁波，都具有波動性，能產(chǎn)生反射、衍射、干涉及折射等現(xiàn)象。 微波的波長在一毫米到一米之間，在電磁波譜中其短波長一端與遠(yuǎn)紅外光波相連接，在 長波長一端與超高頻無線電波相連接。許多可見光和其他波長的電磁波的性質(zhì)，都可以 用微波來再現(xiàn)，只是由于波長不同，波動現(xiàn)象的尺度不同而已。利用微波代替光波來進(jìn) 行實驗直觀

2、、方便的多。實驗原理1. 單縫衍射 由微波分光儀的發(fā)射天線發(fā)出的微波是在一定范圍內(nèi)的平面波，當(dāng)平面波入射到縫寬為 a 的單縫上就會發(fā)生衍射，在不同方向上可以由接收天線接收到不同強度的微波，在各 衍射方向上的微波可以看作是這個方向上小范圍內(nèi)的平面波，接收天線將其匯聚到一起 來。因此可以認(rèn)為這種衍射是夫瑯和費衍射。單縫夫瑯和費衍射的光強分布光強為：si n2( si n )IPa2( si n )2當(dāng)衍射角 =0 時，衍射波的強度最大，稱為中央極強，它有一定的寬度。在中央極強兩側(cè)，衍射波的強度迅速減小，直至出現(xiàn)衍射波強度的極小值，即一級極小。可以證明 正一 級極小 的 衍射 角為 ： 1 sin

3、1( ) 。同 樣 ，負(fù) 一 級極 小 的衍 射 角為： a1 sin 1() 。如果定義兩個一級極小之間的夾角為中央極強的角寬度，則中央極強a的角寬度為： 2 sin 1( ) 。a我們還可以證明各級極小的衍射角 滿足：k sin 1(k )k=1,2 ，3， a分別稱為一級極小，二級極小，三級極小，。 除中央極強外，其余各級衍射極大的衍射角近似滿足：ksi n1（2k 1） k=1，2，3 2a 分別稱為一級極大，二級極大，三級極大，。2. 雙縫衍射雙縫衍射光強為：si n2 u2I P 4I 0 2 c o sv uad u sin v sin各級極大對應(yīng)的衍射角為：K sin 1（K）

4、K=0,1,2 ，d分別稱為中央極大，一級極大，二級極大，。 各級極小對應(yīng)的衍射角為：Ksin 1（2K 1 ） K=0,1,2 2d分別稱為一級極小，二級極小，三級極小，。操作步驟1調(diào)整發(fā)射天線使其和接收天線對正。 轉(zhuǎn)動刻度盤使其 1800 的位置正對固定臂 （發(fā) 射天線）的指針，轉(zhuǎn)動可動臂（接收天線）使其指針指著刻度盤的0處，使發(fā)射天線喇叭與接收天線喇叭對正。2將單縫衍射板的縫寬 a 調(diào)整為 40mm左右，將其安放在刻度盤上，衍射板的邊線 與刻度盤上兩個 90對齊。3打開電源開關(guān)，依次微調(diào)發(fā)射喇叭、衍射板、接收喇叭，使衍射強度分布的中 央極大位于 0；調(diào)節(jié)發(fā)射和接收衰減器，使中央極大值的信

5、號電平處于80 90 ；在 500 的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動接收天線，觀察衍射強度分布，認(rèn)為分布合理后開始測量。4將微波分光儀的活動臂轉(zhuǎn)到衍射角為+500 后開始讀數(shù)，衍射角每改變 2讀取一次微安表的讀數(shù)并作好記錄，一直讀到衍射角為 -50 。5調(diào)整好雙縫衍射板的參數(shù) a 與 d（根據(jù)本實驗的實際， 可取 a =30mm，d 100mm）， 將其安放在刻度盤上，衍射板的邊線與刻度盤上兩個90對齊。6類似于步驟 3、4 進(jìn)行儀器的調(diào)節(jié)和測量。只是對雙縫衍射的測量是每改變1讀取一次表頭讀數(shù)。7 分別作出單縫衍射和雙縫衍射的相對強度與衍射角的關(guān)系曲線（以衍射角為橫軸，電流值 IP 為縱軸），確定出各級極大和極小

6、衍射角的實驗值。8 利用實驗測出的縫寬和波長，計算對應(yīng)的各級極小和極大的衍射角的理論值，并 與實驗值比較，作出實驗結(jié)論。注意事項1 衰減器調(diào)整要適當(dāng)，太小則觀察不便，太大則可能使電流表指針滿偏。 2單縫衍射實驗時每隔 2記錄一次，雙縫衍射時每隔 1記錄一次。3為保證實驗結(jié)果能與理論結(jié)果進(jìn)行比較，開始測量前要反復(fù)調(diào)整儀器、觀察衍 射強度分布，盡可能將中央極大值的位置調(diào)整在00 處。問題討論1 本實驗為什么屬于夫瑯和費衍射？2雙縫衍射與雙縫干涉有何異同？ 3實驗中，中央極大的位置對得出實驗結(jié)論有何意義？如何才能調(diào)整好中央極大 的位置？附錄一、微波分光儀 微波分光儀的結(jié)構(gòu)如圖 16-5 所示。固態(tài)信

7、號發(fā)生器產(chǎn)生一個與微波頻率相同的電流， 經(jīng)過天線發(fā)出需要的具有平面波振面的微波；微波經(jīng)過衍射板后，到達(dá)接收天線再將強 度轉(zhuǎn)變成一個相應(yīng)的電流強度，并由微安表顯示出來。各部分及其作用簡介如下：1 0-360 分度轉(zhuǎn)盤：均勻刻有 360刻度，可以讀出接收天線所在方位。所在 平臺可放置各種實用附件，如單縫衍射板，反射板，雙縫衍射板，布拉格晶體模型等。2 三厘米固態(tài)信號發(fā)生器：產(chǎn)生微波信號。3 發(fā)射喇叭天線：將微波發(fā)射出去。4 可變衰減器：用來控制發(fā)射波的強弱，其指示越大，對信號的衰減越大。5 晶體檢波器：將接收到的微波信號轉(zhuǎn)變成直流電信號。6 接收喇叭天線：可以繞分度盤的中心旋轉(zhuǎn)，以便接收來自不同方

8、向的微波信號。 7信號線：將微波電信號傳遞到發(fā)射天線。8. 電纜：將探測到的微波強度的電信號傳遞到微安表。9. 支座10固定臂：安裝微波發(fā)射裝置。11. 可旋轉(zhuǎn)臂：安裝微波強度測量裝置。12 微安電流表：讀出用電流強度表示的微波信號的強度。二、數(shù)據(jù)記錄表1單縫衍射單縫寬 a= mm ，微波波長 =32.02mm（0）024681012141618202224I （mA ）I （mA ）（0）26283032343638404244464850I （mA ）I （mA ）2雙縫衍射縫寬 a= mm ，縫間距 d （a b） = mm，微波波長 =32.02mm（0）012345678910111