电磁场与电磁波实验 02 - | 电磁波波长测试实验

Posted 2021-07-14 Neutionwei

一、实验目的

1 、学习了解电磁场电磁波的空间传播特性；

2 、通过对电磁场电磁波波长、波幅、波节、驻波的测量进一步认识和了解电磁场电磁波

3、了解电磁波的反射特性，利用迈克尔逊干涉现象和相干波原理测量波长

二、预习要求

1 、什么是迈克尔逊干涉原理？它在实验中有哪些应用？
2 、驻波的产生原理及其特性；

三、实验仪器

HD-CB-V电磁场电磁波数字智能实训平台

极化天线：                                    1副

金属反射板：                                  1块

电磁波传输电缆：                              1套

半波振子天线：                                1副

灯泡：                                        1只

四、实验原理

变化的电场和磁场在空间的传播称为电磁波，几列电磁波同时在同一介质中传播时，几列波可以保持各自的特点 ( 波长、波幅、频率、传播方向等 ) 同时通过介质，在几列波相遇或叠加的区域内，任一点的振动为各个波单独在该点产生的振动的合成。而当两个频率相同、偏振相同、相位差恒定的波源所发出的波的叠加时在空间总会有一些点振动始终加强，而另一些点振动始终减弱或完全抵消，因而形成干涉现象。

干涉是电磁波的一个重要特性，利用干涉原理可对电磁波传播特性进行很好的探索。而驻波是干涉的特例。在同一媒质中两列振幅相同的相干波，在同一直线上反向传播时就叠加形成驻波。 由发射天线发射出的电磁波，在空间传播过程中可以近似看成均匀平面波。此平面波垂直入射到金属板，被金属板反射回来，到达电磁波感应器；直射波也可直接到达电磁波感应器。这两列波将形成驻波，两列电磁波的波程差满足一定关系时，在感应器位置可以产生波腹或波节。

设到达电磁感应器的两列平面波的振幅相同 , 只是因波程不同而有一定的相位差 , 电场可表示为： Ex=Em cos(wt-kz)          Ey=Em cos(wt-kz+ δ )
其中δ = β Z 是因波程差而造成的相位差 , 则当相位差δ = βZ1=2n π (n=0,1,2……) 时，合成波的振幅最大，Z1的位置为合成波的波腹；相位差δ = βZ2=2n π + π (n=0,1,2……) 时，合成波的振幅最小，Z2的位置为合成波的波节。实际上到达电磁感应器的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波波腹振幅值不是二倍单列波的振幅值，合成波的波节值也不是恰好为零。

根据以上分析 , 若固定感应器，只移动金属板，即只改变第二列波的波程，让驻波得以形成，当合成波振幅最大 ( 波腹 ) 时： Z1=2n π / β =n λ
当合成波振幅最小 ( 波节 ) 时： Z2=(2n π + π )/ β =(n+1/2) λ
此时合成波振幅最大到合成波振幅最小 ( 波腹到波节 ) 的最短波程差为λ /2 ，若此时可动金属板移动的距离为△L, 则 2△L= λ /2      即 λ =4△L
    可见 , 测得了可动金属板移动的距离△L, 代入式中便确定电波波长。

了解下面两个概念：

波节：驻波在空间内特定量振幅为最小值处的点。

波幅：驻波在空间内特定量振幅为最大值处的点。

    下面通过实验现象来分析驻波的产生，及电磁波波长的测试方法。

五、实验步骤

1、用SMA连接电缆连接“输出口3”和极化天线垂直极化口，将电磁波信号输送到极化天线上。 将感应天线滑至极化天线最左端，实施清零操作（液晶显示界面显示0.00）。
   2、将设计制作的电磁波感应器半波天线——感应天线安装在可旋转支架上，先将其垂直放置，再将支臂滑块缓慢移到距离发射天线 25-30 cm 刻度处；

3、按下“发射开关”，此时已有电磁波发射出来，灯泡被点亮（亮暗程度不一样）；

4、移动反射板，看半波天线上灯是否有明暗变化，如果没有或亮暗不明显，将感应天线往极化天线方向移动少许距离，如果还没明暗变化，再检查天线及其他方面；

5、如系统正常工作，注意：将反射板移动至感应器一端，实施清零操作，此时液晶显示界面显示0.00.继而从远而近移动可动反射板，使灯泡明暗变化以灯泡明暗度判断波节 ( 波腹 ) 的出现。再由近而远移动反射板，并读取最初灯泡最亮时反射板位置的坐标 X1 及灯泡最暗时反射板位置的坐标 X2 ；继续测第二次灯泡最亮时反射板位置的坐标 X1 及灯泡最暗时反射板位置的坐标 X2 ；由最亮到最暗，最暗到最亮，如此反复，记下测得的最亮次数 i ，将测量数记入下表。

例如：按下发射开关，移动反射板，记录下白炽灯最亮时的刻度值：X1,继续向前移动白炽灯，记录下白炽灯最暗时的刻度：X2,则2(X1-X2)=1/2λ,计算出电磁波波长λ=4（X1-X2）,

同时可计算出电磁波F=V光/4(X1-X2).

注意：多记录几组数据，求平均之值后再计算波长。

6、也可换上检波装置，这时可观测移动反射板时微安表读数的变化情况，这时记录下微安表数值最大时的距离值，数值最小时的距离值。实验步骤与上面相同，多记录几组数据求得平均值，从而计算波长大小。

距离cm	1	2	3	3.5	4	5	6	7	8	10	11	11.5	12	12.5	13	14	15	16	17
电流	201.04	195.00	206.33	205.67	202.11	204.94	203.06	202.63	196.03	166.31	139.82	122.74	105.88	87.93	97.97	118.97	133.47	153.73	156.46
18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	31.5	32	33	34	35	36
158.61	167.41	171.71	176.48	183.47	178.61	174.33	170.06	165.34	161.07	156.09	152.72	148.46	128.53	133.74	138.63	144.46	148.94	153.31	158.64
37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	50.5	51	52	53	54	55
164.33	170.39	176.31	181.64	185.86	181.01	176.04	171.44	166.50	161.40	156.77	150.33	145.74	140.83	131.00	136.20	140.66	144.07	149.82	153.90

7、将计算出的波长与点击屏幕上按键后显示的波长对比，分析误差产生原因。

六、注意事项

1、按下机器供电开关，机器工作正常，按下发射开关，绿色发射指示灯亮，说明发射正常。

2、滑动感应器及反射板应缓慢，切忌过快影响实验效果和读数。

3、测试感应器时，不能将感应灯靠近发射天线的距离太小，否则会烧毁感应灯。（置于 15cm  以外，或视感应灯泡亮度而定）

4、实验前，按规定执行清零操作，方便记录数值。

5、尽量减少按下发射按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。

6、测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。

七、报告要求
   1、按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；
   2、完成数据运算及整理，用EXCEL等绘出距离—电流曲线，横坐标为反射板移动距离（CM），纵坐标为位移电流（uA），解释此曲线的特征，计算出电磁波波长；
   3、对实验中的现象分析讨论，并对实验误差产生的原因进行分析，做好数据处理。