2023年微波光學實驗實驗報告

近代物理實驗報告

指導教師：?? ?? ? ? ???得分：實驗時間:２0２3年1１月２3日，第十三周,周一,第5-8節(jié)實驗者:班級材料0705學號姓名童凌煒同組者:班級材料0705學號姓名車宏龍實驗地點：綜合樓503實驗條件：室內(nèi)溫度℃，相對濕度%，室內(nèi)氣壓實驗題目：?? 微波光學實驗 ? 實驗儀器：(注明規(guī)格和型號)微波分光儀,反射用金屬板，玻璃板，單縫衍射板實驗目的:了解微波分光儀的結(jié)構(gòu),學會調(diào)整并進行實驗．驗證反射規(guī)律運用邁克爾孫干涉儀方法測量微波的波長測量并驗證單縫衍射的規(guī)律運用模擬晶體考察微波的布拉格衍射并測量晶格數(shù)實驗原理簡述：反射實驗

電磁波在傳播過程中假如碰到反射板,必然要發(fā)生反射.本實驗室以一塊金屬板作為反射板,來研究當電磁波以某一入射角投射到此金屬板上時所遵循的反射規(guī)律。

邁克爾孫干涉實驗

在平面波前進的方向上放置一塊４5°的半透半反射版,在此板的作用下，將入射波提成兩束，一束向Ａ傳播，另一束向B傳播.由于A,B兩板的全反射作用,兩束波將再次回到半透半反板并達成接受裝置處,于是接受裝置收到兩束頻率和振動方向相同而相位不同的相干波，若兩束波相位差為２π的整數(shù)倍,則干涉加強;若相位差為π的奇數(shù)倍,則干涉減弱。?單縫衍射實驗

如圖，在狹縫后面出現(xiàn)的顏射波強度并不均勻，中央最強,同時也最寬,在中央的兩側(cè)顏射波強度迅速減小，直至出現(xiàn)顏射波強度的最小值，即一級極小值,此時衍射角為φ＝ａrcsiｎ(λ/a）.然后隨著衍射角的增大衍射波強度也逐漸增大,直至出現(xiàn)一級衍射極大值，此時衍射角為Φ=aｒcsiｎ(3/２*λ／a),隨著衍射角度的不斷增大會出現(xiàn)第二級衍射極小值，第二級衍射極大值,以此類推。?微波布拉格衍射實驗?當X射線投射到晶體時,將發(fā)生晶體表面平面點陣散射和晶體內(nèi)部平面點陣的散射,散射線互相干涉產(chǎn)生衍射條紋,對于同一層散射線,當滿足散射線與晶面見尖叫等于掠射角θ時，在這個方向上的散射線,其光程差為0,于是相干結(jié)果產(chǎn)生極大,對于不同層散射線,當他們的光程差等于波長的整數(shù)倍時,則在這個方向上的散射線互相加強形成極大,設相鄰晶面間距為d,則由他們散射出來的X射線之間的光程差為CＤ+BD=2dsｉnθ，當滿足2ｄｓｉnθ=Kλ,K＝1,２，3…時，就產(chǎn)生干涉極大.這就是布拉格公式,其中θ稱為掠射角,λ為Ｘ射線波長.運用此公式,可在d已測時,測定晶面間距;也可在ｄ已知時,測量波長λ，由公式還可知，只有在<2d時,才會產(chǎn)生極大衍射?實驗環(huán)節(jié)簡述:反射實驗

1．１將微波分光儀發(fā)射臂調(diào)在主分度盤１80°位置,接受臂調(diào)為０°位置．

1．２啟動三厘米固態(tài)信號發(fā)射器電源，這時微安表上將有指示，調(diào)節(jié)衰減器使微安表指示滿刻度.

1.3將金屬板放在分度小平臺上,小分度盤調(diào)至0°位置,此時金屬板法線應與發(fā)射臂在同一直線上，?1.4轉(zhuǎn)動分度小平臺，每轉(zhuǎn)動一個角度后,再轉(zhuǎn)動接受臂,使接受臂和發(fā)射臂處在金屬板的同義詞,并使接受指示最大,記下此時接受臂的角度.

1.５由此，擬定反射角,驗證反射定律,實驗中入射角在允許范圍內(nèi)任?。競€數(shù)值，測量微波的反射角并記錄.?邁克爾孫干涉實驗

2.1將發(fā)射臂和接受臂分別置于90°位置，玻璃反射板置于分度小平臺上并調(diào)在45°位置,將兩塊金屬板分別作為可動反射鏡和固定反射鏡.?2．2兩金屬板法線分別在與發(fā)射臂接受臂一致，實驗時,將可動金屬板B移動到導軌左端,從這里開始使金屬板緩慢向右移動，依次記錄微安表出現(xiàn)的的極大值時金屬板在標尺上的位置．?２.３若金屬板移動距離為Ｌ，極大值出現(xiàn)的次數(shù)為n+1則,,λ=２L／ｎ這便是微波的波長，再令金屬板反向移動,反復上面操作,最后求出兩次所得微波波長的平均值.?單縫衍射實驗?３．１預先調(diào)整好單縫衍射板的寬度(70mm),該板固定在支座上,并一起放到分度小平臺上，單縫衍射板要和發(fā)射喇叭保持垂直,

3．2然后從衍射角０°開始，在單縫的兩側(cè)使衍射角每改變１°,讀一次表頭讀數(shù),并記錄.?由于本實驗的單縫衍射版的最小值，衍射角度不能過大，同時考慮到第一級衍射極大值的強度比中央極大值的強度弱很多,隱刺將本實驗提成兩段，第一段從-3０°~30°，第二段從３0°~5０°．?3.3畫出兩段的-φ實驗曲線圖，根據(jù)微波波長和縫寬，算出第一級極小和一級極大的衍射角與曲線上求得的結(jié)果進行比較?微波布拉格衍射實驗?4.1用微波代替X射線驗證布拉格公式，必須制作一個模擬晶體,使晶格常熟略大于微波波長.

模擬晶體是由直徑10ｍm的金屬球做成的立方晶體模型，相鄰球距為40mm，這些金屬球就相稱于晶體點陣中的粒子,實驗時，將模擬晶體放在分度小平臺上.

4．2一方面令分度小平臺指示在0°位置,這樣晶體（１00)面與發(fā)射臂平行,固定臂指針指示的是入射角;活動臂指針指示的是經(jīng)晶體（100)面反射的微波的反射角.

4.3轉(zhuǎn)動分度小平臺,改變微波的掠射角,掠射角的測量范圍１５°~35°,45°~６０°,保證散射角與掠射角相等，分度小平臺每次轉(zhuǎn)動1°,讀取接受檢波電流值,再繪出-θ曲線圖.從實驗曲線上求出極大值θ角大小,然后與理論公式計算出來的衍射角相比較(取K＝1,d=40ｍm,λ=32.0２mm),計算其偏離限度,并分析其因素?原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解決及誤差計算:反射實驗數(shù)據(jù)nθin/degrｅeθouｔ/degｒeeｎθin/dｅgrｅｅθout/deｇreｅ120235555８２30306６0６53404３.577074450538８０80從上面的實驗數(shù)據(jù)看出,微波的入射角θin和反射角θoｕt在誤差允許的范圍內(nèi)可認為是相等的，少數(shù)的偏差也許是由于微波易受外界干擾所致。因而可以認為,微波也是符合反射定律的。

邁克爾遜干涉實驗數(shù)據(jù)正向0～7０ｍｍ,記錄極大值出現(xiàn)的位置１3．4２mm3１．44mm48.00ｍｍ64．61mm反向70~0ｍm，記錄極大值出現(xiàn)的位置64.18ｍm48.３０mm31.4９mｍ14．09mm正向出現(xiàn)的三次極大值之間的間距分別為１8.０2mm，16．５6mm,１6.1６mｍ，間距的平均值為Ｌ１=17.063ｍm在這個間距內(nèi)，極大峰只在首尾各出現(xiàn)了一次,因此λ１=2＊L１=34.1２6mm反向出現(xiàn)三次極大值之間的間距分別為1５.８8mm，16.８1mm,16．59ｍｍ?間距的平均值為Ｌ2=１6.4２7mｍ同樣,在這個間距內(nèi)，極大峰首尾各出現(xiàn)一次，因此λ2＝2＊L2=３2．8５4mm兩次波長的平均值為λ＝33.49mｍ，與儀器給出的標定波長３2.０2mm較為接近，可認為微波的邁克爾遜干涉是符合定律并且波長測量時可信的。單縫衍射實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)過多,故這里略去，詳見附表的原始數(shù)據(jù)。只給出轉(zhuǎn)換以后的I-ψ實驗曲線圖和相關(guān)峰值。

-－-－－圖片見附頁1－-－---可見,中央衍射峰出現(xiàn)在-1°，而第一級衍射峰分別出現(xiàn)在-45°和4３°而根據(jù)理論的第一極大值衍射角計算公式Φ=arｃsin(3/２*λ/ａ),以及波長λ=32.02mｍ，單縫寬a＝７0ｍm,可以得到，理論的兩個第一極大衍射角為±43.３２5°，與實驗測得的結(jié)果相近，除去干擾導致的誤差影響，可以認為，微波也符合單縫衍射規(guī)律。微波布拉格衍射實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)略去,根據(jù)數(shù)據(jù)作出的I-θ關(guān)系圖如下，按照掠射角的范圍提成兩段:?從圖中可以讀出的兩個極大值相應掠射角為θ1＝23°,θ２=５3°(極大的衍射峰出現(xiàn)位由于過大而被略去)而根據(jù)理論計算公式,代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得到理論的極大值衍射角為θ1’=2３．５9°，θ2’=53．17（這時分別取K＝1和2)對照理論值,可見實驗中得到的測量值偏離理論值很小,實驗測量的結(jié)果是可靠的。少量偏移誤差的存在,可以認為是由于實驗中微波的發(fā)射以及傳播過程受到外界因素的干擾所致。思考題，實驗感想,疑問與建議:實驗中發(fā)現(xiàn)有兩個因素也許導致結(jié)果出現(xiàn)誤差:一個是干擾因素,微波自身很容易受到干擾，另一方面，實驗儀器的開放限度很大，實驗人員很容易在操作過程中遮擋了微波傳播的途徑而導致結(jié)果不準確。另一個是儀器設計上的缺陷,儀器中,玻璃片、金屬板都是手動通過螺栓固定到底座上的,雖然底座上有刻度可以對準小分度盤,但是不能保證底座上的金屬