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)整它并能用它進行實驗。2 進一步認識電磁波的波動性，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 行實

2、驗直觀、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 n( sin)扎a 2(sin)扎當(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?？梢宰C明正一級極小的衍射角為：s in（一）。同樣，負一級極小的衍射

3、角為：a;：彳二sin （ -一）。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 “ ）。a我們還可以證明各級極小的衍射角：滿足：=：sin 4（）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：si n1（2k 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 n u 2Ip = 4I 02 c 0 SVu二a二 du . sin v sin各級極大對應(yīng)的衍射角為：* = sin J（K ）K=0,1,2，d分別稱為中央極大，一級極大，

4、二級極大，。各級極小對應(yīng)的衍射角為：K = sin，（空 1 ） K =0,1,22 d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180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，使中央極大值的信號電平處于80 90A;在一 500的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動接收天線，

5、觀察衍射強度分布，認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)

6、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

7、的具有平面波振面的微波；微波經(jīng)過衍射板后，到達接收天線再將強 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護(0)0246810121416182022241 十(mA )1 (mA )申(0)262830323436384042444648501 + (mA )1 (mA )2 雙縫衍射縫寬a= mm ,縫間距d (a b) =mm，微波波長=32.02mm半(0)0123456789101112