微波光學(xué)試驗(yàn)

微波光學(xué)試驗(yàn)第1頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六基本要求１、了解電磁波的反射、干涉、衍射等現(xiàn)象。２、學(xué)會(huì)用微波分光儀做反射、干涉、衍射等實(shí)驗(yàn)。３、學(xué)習(xí)如何分析和消除系統(tǒng)誤差。第2頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六主要試驗(yàn)內(nèi)容將微波分光儀的工作電流選擇在預(yù)熱檔，接通電源，預(yù)熱20min。然后撥向等幅檔，調(diào)整工作電流及衰減器，使微安表讀數(shù)適中。調(diào)節(jié)接收喇叭，使兩喇叭對(duì)正，使之接受信號(hào)最大。１、反射實(shí)驗(yàn)（１）裝上反射板，使其法線與刻度盤上的0o線一致，固定在刻度盤上。（２）轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使固定臂指針指向某一角度，即入射角。然后轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂，找到一個(gè)最大接收位置，這個(gè)位置所對(duì)應(yīng)的角度為反射角。（３）每隔5o做一次，記錄所對(duì)應(yīng)的位置。（４）從左、右方向入射，各做一次，取平均值，驗(yàn)證反射定律。２、單縫干涉（１）將固定臂和活動(dòng)臂的指針?lè)謩e指向180o和0o線處。（２）裝上單縫板，使其表面與圓盤上的90o線重合，縫寬控制在70mm。（３）衍射角從0o開(kāi)始，轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)臂，每隔2o記錄一次表頭讀數(shù)，做到50o為止，左右各一次。（４）畫出單縫衍射強(qiáng)度與衍射角的關(guān)系曲線，求出一級(jí)極大和一級(jí)極小，并且與理論計(jì)算出來(lái)的相應(yīng)角度進(jìn)行比較。３、雙縫干涉（１）按單縫衍射步驟進(jìn)行（使縫寬a=40mm,間隔b=70mm）。第3頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六（２）應(yīng)用公式計(jì)算比較出相長(zhǎng)干涉角和相消干涉角，與實(shí)驗(yàn)求出的相應(yīng)角度進(jìn)行比較。４、邁克爾遜干涉（１）使固定臂和活動(dòng)臂分別指向0o和90o處。固定活動(dòng)臂，裝上透射板，使法線對(duì)準(zhǔn)圓盤上的45o線，并固定之。（２）分別裝上反射板（應(yīng)相互垂直），其法線應(yīng)與喇叭的軸線一致。（３）移動(dòng)反射板（通過(guò)旋轉(zhuǎn)讀數(shù)機(jī)構(gòu)上的手柄），在表頭上讀出（n+1）個(gè)極小值，并同時(shí)從讀數(shù)機(jī)構(gòu)上讀出相應(yīng)各個(gè)極小值的讀數(shù)，求出可移反射板移動(dòng)的總距離，根據(jù)公式求出λ。５、布拉格衍射（１）將模擬晶體排成方形點(diǎn)陣，放在圓盤上，使待側(cè)面法線與圓盤上0o垂直，并固定。（２）轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，使固定臂指針指在某一角度即入射角，將活動(dòng)臂轉(zhuǎn)至反射角方向，使反射角等于入射角，讀出μA表讀數(shù)。（３）改變?nèi)肷浣?，每?℃測(cè)一次數(shù)據(jù)。（４）左右各做一次，取平均值，畫出衍射角曲線，并求出相應(yīng)的衍射角。主要試驗(yàn)內(nèi)容第4頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六儀器簡(jiǎn)介1231210487561191固態(tài)源電源2發(fā)射喇叭3固態(tài)源4接收喇叭5衰減器6檢波器7微安表8活動(dòng)臂9指示角度指針10試樣臺(tái)11儀器調(diào)平螺絲12固定臂第5頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六儀器簡(jiǎn)介固態(tài)源電源布拉格衍射本實(shí)驗(yàn)采用成套的微波分光儀，其結(jié)構(gòu)如圖。還有單縫板、雙縫板、透射板各一塊，反射板兩塊，模擬晶體，兩個(gè)支架。第6頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)１、將兩個(gè)喇叭的方向?qū)φ?，發(fā)射和接收喇叭方向不正將嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，務(wù)必小心不可碰歪。２、做“布拉格衍射”實(shí)驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)將模擬晶體排成方形點(diǎn)陣，并將小球調(diào)整到規(guī)則位置。３、測(cè)峰值時(shí)，注意峰值是否超過(guò)量程。第7頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六思考題1、實(shí)驗(yàn)前，為什么必須將兩喇叭天線對(duì)正？如果不對(duì)正，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？2、做反射實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么要求角度在35o～65o之間？入射角為什么不能太大？3、在布拉格衍射實(shí)驗(yàn)中，為什么要左右各測(cè)一次取平均值？4、試設(shè)計(jì)用微波相干儀測(cè)量不透明介質(zhì)的折射率。第8頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六思考題答案1、實(shí)驗(yàn)前，為什么必須將兩喇叭天線對(duì)正？如果不對(duì)正，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將產(chǎn)生什么影響？答：實(shí)驗(yàn)前必須將兩喇叭天線對(duì)正，這樣才會(huì)使得測(cè)量結(jié)果正確，并與理論值相符合。若兩喇叭天線沒(méi)對(duì)正，即發(fā)射喇叭偏離，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，將使衍射曲線中央極大偏離，兩邊不對(duì)稱，同時(shí)接收信號(hào)偏小或接收不到信號(hào)；在布拉格衍射實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)的入射角不等于實(shí)驗(yàn)入射角，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的。如果接收喇叭天線偏離，則可能使接收信號(hào)偏小，甚至接收不到信號(hào)。2、做反射實(shí)驗(yàn)時(shí)，為什么要求角度在35o～65o之間？入射角為什么不能太大？答：做反射實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求角度在35o～65o之間，在這角度之間才能比較正確地驗(yàn)證反射定律。由于發(fā)射喇叭天線發(fā)出的微波束是一個(gè)扇形區(qū)域的波束。若入射角度太小，即使想法調(diào)節(jié)到小角度，則接收喇叭會(huì)擋住部分發(fā)射喇叭天線發(fā)出的微波，測(cè)量結(jié)果就不正確；若入射角度太大，則發(fā)射喇叭天線發(fā)出的部分微波沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射板就直接進(jìn)入了接收喇叭，這樣的結(jié)果顯然是錯(cuò)誤的，也就不能驗(yàn)證反射定律。3、在布拉格衍射實(shí)驗(yàn)中，為什么要左右各測(cè)一次取平均值？答：模晶格放在圓盤上時(shí)，不可能完全中心對(duì)齊，待測(cè)面的法線也不可能完全與0o重合。這樣測(cè)量結(jié)果會(huì)存在一個(gè)“0位誤差”，即衍射極大的角度可能偏大或偏小。左右各測(cè)一次再取平均可減小或消除這種“0位誤差”。4、試設(shè)計(jì)用微波相干儀測(cè)量不透明介質(zhì)的折射率。第9頁(yè)，共10頁(yè)，2023年，2月20日，星期六思考題答案4、試設(shè)計(jì)用微波相干儀測(cè)量不透明介質(zhì)的折射率。答：（1）原理用微波的邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。由于電磁波可以透過(guò)不透明介質(zhì)，將這種不透明的介質(zhì)做成厚度為d的平板放入干涉儀的一臂之中，如圖所示。則兩臂的波程差將變化為，由此變化可測(cè)量出介質(zhì)的折射率n。（2）做法首先在沒(méi)有介質(zhì)板的情況下，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微計(jì)使B板移動(dòng)，同時(shí)測(cè)出接收喇叭變化k+1個(gè)極大（或極?。┲g的距離d1，則。再將介質(zhì)平板插入圖示的位置，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微計(jì)到起始