微波光学实验 实验报告

1 近代物理实验报告

指导教师：

得分：

实验时间： 2009 年 11 月 23 日， 第 十三 周， 周 一 ， 第 5-8 节

实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜

同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙

实验地点： 综合楼 503

实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压

实验题目： 微波光学实验

实验仪器：（注明规格和型号）

微波分光仪， 反射用金属板， 玻璃板， 单缝衍射板

实验目的：

1. 了解微波分光仪的结构,学会调整并进行试验. 2. 验证反射规律

3. 利用迈克尔孙干涉仪方法测量微波的波长 4. 测量并验证单缝衍射的规律

5. 利用模拟晶体考察微波的布拉格衍射并测量晶格数

实验原理简述： 1. 反射实验

电磁波在传播过程中如果遇到反射板,必定要发生反射.本实验室以一块金属板作为反射板,来研究当电磁波以某一入射角投射到此金属板上时所遵循的反射规律。

2. 迈克尔孙干涉实验

在平面波前进的方向上放置一块45°的半透半反射版,在此板的作用下,将入射波分成两束,一束向A传播,另一束向B传播.由于A,B两板的全反射作用,两束波将再次回到半透半反板并达到接收装置处,于是接收装置收到两束频率和振动方向相同而相位不同的相干波,若两束波相位差为2π的整数倍,则干涉加强;若相位差为π的奇数倍,则干涉减弱。

3. 单缝衍射实验

如图,在狭缝后面出现的颜射波强度并不均匀,中央最强,同时也最宽,在中央的两侧颜射波强度迅速减小,直至出现颜射波强度的最小值,即一级极小值,此时衍射角为φ=arcsin(λ/a).然后随着衍射角的增

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2 大衍射波强度也逐渐增大,直至出现一级衍射极大值,此时衍射角为Φ=arcsin(3/2*λ/a),随着衍射角度的不断增大会出现第二级衍射极小值,第二级衍射极大值,以此类推。

4. 微波布拉格衍射实验

当X射线投射到晶体时,将发生晶体表面平面点阵散射和晶体内部平面点阵的散射,散射线相互干涉产生衍射条纹,对于同一层散射线,当满足散射线与晶面见尖叫等于掠射角θ时,在这个方向上的散射线,其光程差为0,于是相干结果产生极大,对于不同层散射线,当他们的光程差等于波长的整数倍时,则在这个方向上的散射线相互加强形成极大,设相邻晶面间距为d,则由他们散射出来的X射线之间的光程差为CD+BD=2dsinθ,当满足

2dsinθ=Kλ,K=1,2,3…时,就产生干涉极大.这就是布拉格公式,其中θ称为掠射角,λ为X射线波长.利用此公式,可在d已测时,测定晶面间距;也可在d已知时,测量波长λ,由公式还可知,只有在 <2d时,才会产生极大衍射

实验步骤简述： 1. 反射实验

1.1 将微波分光仪发射臂调在主分度盘180°位置,接收臂调为0°位置.

1.2 开启三厘米固态信号发射器电源,这时微安表上将有指示,调节衰减器使微安表指示满刻度. 1.3 将金属板放在分度小平台上,小分度盘调至0°位置,此时金属板法线应与发射臂在同一直线上,

1.4 转动分度小平台,每转动一个角度后,再转动接收臂,使接收臂和发射臂处于金属板的同义词,并使接收指示最大,记下此时接收臂的角度.

1.5 由此,确定反射角,验证反射定律,实验中入射角在允许范围内任取8个数值,测量微波的反射角并记录. 2. 迈克尔孙干涉实验

2.1 将发射臂和接收臂分别置于90°位置,玻璃反射板置于分度小平台上并调在45°位置,将两块金属板分别作为可动反射镜和固定反射镜.

2.2两金属板法线分别在与发射臂接收臂一致,实验时,将可动金属板B移动到导轨左端,从这里开始使金属板缓慢向右移动,依次记录微安表出现的的极大值时金属板在标尺上的位置.

2.3 若金属板移动距离为L,极大值出现的次数为n+1则,n()L,λ=2L/n 这便是微波的波长,再令金属板反向移动,重复上面操作,最后求出两次所得微波波长的平均值.

3. 单缝衍射实验

3.1 预先调整好单缝衍射板的宽度(70mm),该板固定在支座上,并一起放到分度小平台上,单缝衍射板要和发射喇叭保持垂直,

3.2 然后从衍射角0°开始,在单缝的两侧使衍射角每改变1°,读一次表头读数,并记录.

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由于本实验的单缝衍射版的最小值,衍射角度不能过大,同时考虑到第一级衍射极大值的强度比中央极大值的强度弱很多,隐刺将本实验分成两段,第一段从-30°~30°,第二段从30°~50°.

3.3 画出两段的I-φ试验曲线图,根据微波波长和缝宽,算出第一级极小和一级极大的衍射角与曲线上求得的结果进行比较

4. 微波布拉格衍射实验

4.1 用微波代替X射线验证布拉格公式,必须制作一个模拟晶体,使晶格常熟略大于微波波长.

模拟晶体是由直径10mm的金属球做成的立方晶体模型,相邻球距为40mm,这些金属球就相当于晶体点阵中的粒子,实验时,将模拟晶体放在分度小平台上.

4.2 首先令分度小平台指示在0°位置,这样晶体(100)面与发射臂平行,固定臂指针指示的是入射角;活动臂指针指示的是经晶体(100)面反射的微波的反射角.

4.3 转动分度小平台,改变微波的掠射角,掠射角的测量范围15°~35°,45°~60°,保证散射角与掠射角相等,分度小平台每次转动1°,读取接收检波电流I值,再绘出I-θ曲线图.从实验曲线上求出极大值θ角大小,然后与理论公式计算出来的衍射角相比较(取K=1,d=40mm,λ=32.02mm),计算其偏离程度,并分析其原因

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原始数据、 数据处理及误差计算： 1. 反射实验数据 n 1 2 3 4 θin/degree 20 30 40 50 θout/degree 23 30 43.5 53 n 5 6 7 8 θin/degree 55 60 70 80 θout/degree 58 65 74 80 从上面的实验数据看出， 微波的入射角θin和反射角θout在误差允许的范围内可认为是相等的， 少数的偏差可能是由于微波易受外界干扰所致。 因而可以认为， 微波也是符合反射定律的。

2. 迈克尔逊干涉实验数据 1. 正向0~70mm， 记录极大值出现的位置 13.42mm 31.44mm 2. 反向70~0mm， 记录极大值出现的位置 64.18mm 48.30mm 48.00mm 31.49mm 64.61mm 14.09mm 正向出现的三次极大值之间的间距分别为18.02mm， 16.56mm， 16.16mm， 间距的平均值为L1=17.063mm

在这个间距内， 极大峰只在首尾各出现了一次， 因此λ1=2*L1=34.126mm

反向出现三次极大值之间的间距分别为 15.88mm， 16.81mm， 16.59mm 间距的平均值为L2=16.427mm

同样， 在这个间距内， 极大峰首尾各出现一次， 因此λ2=2*L2=32.854mm

两次波长的平均值为λ=33.49mm， 与仪器给出的标定波长32.02mm较为接近， 可认为微波的迈克尔逊干涉是符合定律并且波长测量时可信的。

3. 单缝衍射实验数据

实验数据过多， 故这里略去， 详见附表的原始数据。 只给出转换以后的I-ψ实验曲线图和相关峰值。

-----图片见附页1------

可见， 中央衍射峰出现在-1°， 而第一级衍射峰分别出现在-45°和43°

而根据理论的第一极大值衍射角计算公式Φ=arcsin(3/2*λ/a)， 以及波长λ=32.02mm， 单缝宽a=70mm， 可以得到， 理论的两个第一极大衍射角为±43.325°， 与实验测得的结果相近， 除去干扰造成的误差影响， 可以认为， 微波也符合单缝衍射规律。

4. 微波布拉格衍射实验数据

实验数据略去， 根据数据作出的I-θ关系图如下， 按照掠射角的范围分成两段：

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从图中可以读出的两个极大值对应掠射角为θ1=23°，θ2=53°（极大的衍射峰出现位因为过大而被略去） 而根据理论计算公式arcsinK， 代入相关数据， 可以得到理论的极大值衍射角为 2dθ1’=23.59°，θ2’=53.17 （这时分别取K=1和2）

对照理论值， 可见实验中得到的测量值偏离理论值很小， 实验测量的结果是可靠的。

少量偏移误差的存在， 可以认为是由于实验中微波的发射以及传播过程受到外界因素的干扰所致。

思考题， 实验感想， 疑问与建议：

实验中发现有两个因素可能导致结果出现误差：

一个是干扰因素， 微波本身很容易受到干扰， 其次， 实验仪器的开放程度很大， 实验人员很容易在操作过程中遮挡了微波传播的路径而造成结果不准确。

另一个是仪器设计上的缺陷， 仪器中， 玻璃片、 金属板都是手动通过螺栓固定到底座上的， 虽然底座上有刻度可以对准小分度盘， 但是不能保证底座上的金属板的反射面法线和这个刻度垂直或平行， 只能凭肉眼对正， 则一定会留下误差。 希望这一点能够在仪器上得以改进， 比如采用在固定部位加工出定位销， 得以锁定位置。

原始记录及图表粘贴处：（见附页）

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