电磁场实验指导书

1、电磁场与电磁波实验指导书山东建筑大学信息与电气工程学院前 言一、实验目的电磁场与电磁波是一门理论性较强、概念抽象的重要的专业基础课程，也是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础，通过本实验课程使学生们加深对“电磁场与电磁波”课程中基本理论和基本方法的理解，提高实验技能和基本操作技能。培养学生严谨的科学作风和科学方法、增强学生的创造能力。二、实验前预习每次实验前，学生须仔细阅读本实验指导书的相关内容，明确实验目的、要求；明确实验步骤、测试数据及需观察的现象；复习与实验内容有关的理论知识；预习仪器设备的使用方法、操作规程及注意事项；做好预习要求中提出的其它事项。 三、实验注意事项1实验开始前

2、，应先检查本组的仪器设备是否齐全完备，了解设备使用方法及仪器的连接要求。2实验时每组同学应分工协作，轮流记录、操作等，使每个同学受到全面训练。3操作前应将仪器设备合理布置，然后按要求连接。4完成实验系统连接后，必须进行复查，逐项检查各设备、器件的位置、角度等是否正确。确定无误后，方可通电进行实验。5实验中严格遵循操作规程，绝对不允许带电操作。如发现异常声、味或其它事故情况，应立即切断电源，报告指导教师检查处理。6测量数据或观察现象要认真细致，实事求是。使用仪器仪表要符合操作规程，注意仪表的正确读数。7未经许可，不得动用其它组的仪器设备或工具等物。8实验结束后，实验记录交指导教师查看并认为无误后

3、，方可拆除实验系统。最后，应清理实验桌面，清点仪器设备。9爱护公物，发生仪器设备等损坏事故时，应及时报告指导教师，按有关实验管理规定处理。10自觉遵守学校和实验室管理的其它有关规定。四、实验总结每次实验后，应对实验进行总结，即实验数据进行整理，绘制波形和图表，分析实验现象，撰写实验报告。实验报告除写明实验名称、日期、实验者姓名、同组实验者姓名外，还包括：1实验目的；2实验仪器设备（名称、型号）；3实验原理；4实验主要步骤及相应的连接图；5实验记录（测试数据、波形、现象）；6实验数据整理（按每项实验的"实验报告要求"进行计算、分析等）；7回答每项实验的有关问答题。目 录目 录

4、1文档样式使用说明1实验一 电磁波的反射3实验二 电磁波的极化与极化形式的测量方法7实验三 迈克尔逊干涉13实验四 双缝衍射实验16文档样式使用说明一、章标题的格式每章另启用一页；选择样式“标题一”，即可自动更改格式为：三号，宋体，加粗，居中，1.5倍行距，段前段后间距：自动二、各章主要内容每个章节的实验介绍至少应包括以下内容：1实验目的2实验原理3实验仪器和设备4预习要求5实验内容和步骤6实验报告要求三、小标题的格式选择样式为“标题二”，即可更改上述各标题的格式为：小三号，宋体，加粗，1.5倍行距，段前段后间距：0.5行四、正文格式选择样式为“正文”，实验内容的正文格式为：小四号，宋体，1.

5、5倍行距，段前段后间距：0行五、目录由于各章标题采用了一级标题（标题1），因此全文完成后，可以自动生成全文的目录。方法如下：将光标移动到要插入目录的地方（第一页“目录”二字下）；选择“插入”“索引和目录”“目录”标题“显示级别”选择“1”单击“确定”即可。实验一 电磁波的反射一、实验目的1、观察电磁波在传播过程中遇到障碍物发生的反射现象。2、进一步加深对电磁波在传播过程中遇到障碍物时的传播特点和规律的认识。3、研究电磁波在介质表面发生全反射和无反射的条件二、实验原理1、电磁波斜入射到两种不同媒质分界面上的反射和折射 均匀平面波斜入射到两种不同媒质的分界面上，发生反射和折射，以平行折射

6、波为例， (1)反射定律：                           (2)折射定律：           2、平行极化波入射到两种媒质分界面上发生无反射（全反射）的条件。平行极化波在两种媒质分界面上的反射系数和折射系数

7、分别为： 平行极化波斜入射时发生无反射，即，应有                         可以解出无反射时的入射角                     

8、60;       称为布鲁斯特角。3、垂直极化波不可能产生无反射（全反射）垂直极化波入射在两种媒质的分界面上，反射系数和折射系数分别为：                                  &#

9、160;           对于一般媒质，可以证明，垂直极化波无论是从光疏媒质射入光密媒质，还是从光密媒质射入光疏媒质，总有，所以不可能发生全反射。沿任意方向极化的平面电磁波，以入射到两种媒质的分界面上时反射波中只有垂直极化波分量，利用这种方法可以产生垂直极化波。4、电磁波斜入射到良导体表面的反射 对于良导体，所以  ，电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发生反射。处以一块大的金属板作为障碍物来研究当电波以某一入射角投射到此金属板上所遵循的反射定律，即反射线在入射线和通过入射点的法

10、线所决定的平面上，反射线和入射线分居在法线两侧，反射角等于入射角。三、实验仪器和设备1DH926B型微波分光仪 1台2金属板 1块四、预习要求1复习反射定律2复习理想介质边界上平面波的斜投射，复习无反射与全反射。五、实验内容及步骤实验仪器布置如图1 图1 反射实验仪器的布置1.仪器连接时，两喇叭口面应互相正对，它们各自的轴线应在一条直线上。2.指示两喇叭位置的指针分别指于工作平台的900刻度处，将支座放在工作平台上，并利用平台上的定位销和刻线对正支座（与支座上刻线对齐）拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，即可压紧支座。3.反射全属板放到支座上时，应使金属板平面与支座下面的小圆盘上的某一对

11、刻线一致。而把带支座的金属反射板放到小平台上时，应使圆盘上的这对与金属板平面一致的刻线与小平台上相应900刻度的一对刻线一致。这时小平台上的00刻度就与金属板的法线方向一致。 4.转动小平台，使固定臂指针指在某一角度处，这角度该数就是入射角，然后转动活动臂在表头上找到一最大指示，此时活动臂上的指针所指的刻度就是反射角如果此时表头指示太大或太小，应调整衰减器、固态振荡器或晶体检波器，使表头指示接近满量程。5做此项实验，入射角最好取300至650之间。因为入射角太大接收喇叭有可能直接接受入射波。做这项实验时应注意系统的调整和周围环境的影响。 表1.1入射角（度）反射角左侧（度）右侧六、实验报告要求

12、1写明本次实验所用仪器仪表的型号、规格及量程。2利用表1.1中的测量结果验证反射定律。实验二 电磁波的极化与极化形式的测量方法一、实验目的1、研究线极化波，圆极化波和椭圆极化波的产生和各自的特点。2、学习线极化波，圆极化波和椭圆极化波特性参数的测量方法。二、实验原理平面电磁波的极化是指电磁波传播时，空间某点电场强度矢 量E随时间变化的规律。若 E的末端总在一条直线上周期性变化， 称为线极化波； 若E末端的轨迹是圆（或椭圆），称为圆（或椭 圆）极化波。若圆运动轨迹与波的传播方向符合右手（或左手） 螺旋规则时，则称为右旋（或左旋）圆极化波。线极化波、圆极 化波和椭圆极化波都可由两个同频率的正交线极

13、化波组合而成。 设同频率的两个正交线极化波为：                                (1)                  

14、0;         (2)  1、线极化波的合成   当,的位相相同时，即 ，合成电场为：      合成电场的大小：              (3)合成电场的方向：            (4)

15、由（3），（4）式可以看出，合成电场的大小随时间作周期性变化，但方向不变，始终在一条直线上，合成为线极化波。2、圆极化波的合成（1）式和（2）式中,当 , 位相相差时两式平方相加可得                             (5)合成电场的方向：     

16、0;                         (6)可以看出，合成电场的大小不变，但方向随时间变化。合成电场矢量的末端在一圆上以角速度 旋转，这就是圆极化波，设电磁波沿 轴传播，当 较 滞后 时，合成电场矢量沿逆时针方向旋转，是右旋圆极化波；当较 超前 时，合成电场矢量沿顺时针方向旋转，是左旋圆极化波。3、椭圆极化波的合成（1）和（2）式中，当 ，位相相差 时

17、两式平方相加可得                             (7)可以看出，合成电场矢量的末端的轨迹是一个椭圆这就是椭圆极化波。若 和 位相相差不是 ，而是任一角度，可以证明合成电场仍然是椭圆极化波，但椭圆的长轴和短轴不与坐标轴重合。三、实验仪器和设备1. DH926B型微波分光仪 1台2. DH3000

18、3型栅网组件 1组四、预习要求1复习平面波的极化特性2复习线极化波，圆极化波和椭圆极化波的产生和各自的特点。五、实验内容及步骤图2.1用栅网组件产生各种极化的原理图图2.1 栅网实现波极化的原理图实验设备的布放图见图2.2。 图2.2波的极化是用以描述电场强度空间矢量在某点位置上随时间变化的规律。无论是线极化波、圆极化波或椭圆极化波都可由同频率正交场的两个线极化组成。若他们同相（或反相）、等幅（或幅度不等）其合成场的波认为线极化波；若它们相位相位差为90°，即=±90°，幅度相等，合成场波为右旋或左旋圆极化波；若它们相位差为0±90°，幅度相等

19、（或幅度不等），合成场波为右旋或左旋椭圆极化波。Pr1为垂直栅网，Pr2为水平栅网，当辐射喇叭Pr0转角45°后，辐射波的场分为E与E两个分量，Pr1则反射E分量，而 E分量透过垂直栅网被吸收；Pr2则反射E分量，而 E分量透过水平栅网被吸收。这是转动接收喇叭Pr3，当Pr3喇叭E面与垂直栅网平行时收到E波。经几次调整辐射喇叭Pr0的转角使Pr3接收到的|E|=|E|，实现了圆极化的幅度相等要求。然后接收喇叭Pr3在E与E之间转动，将出现任意转角下的|E|E|（或|E|）。这时改变Pr2水平栅网位置，使Pr3接收的波具有|E|=|E|=|E|，从而实现了E与E两个波的相位差为

20、7;90°，得到圆极化波。由于测试条件所限，|E|与|E|、|E|不可能完全相等，Pr3转角0360°时，总会出现检波电压的波动，这时虽有Emin/Emax0.93，即椭圆度为0.93。可以认为基本上实现了圆极化波的要求。1、圆极化波的调试与测试两个同频率的正交场，幅度相等，位相相差 时可产生圆极化波。为此先把发射喇叭天线转大约角（），再把接收喇叭天线 的E面垂直放置，可接收，然后把的E面水平放置，可接收，若，可是适当调整 角，使 。最后调整 的位置，使 转动任何角度的输出指示值都相等，这就是圆极化波，当转动角度为0、10、20、.170度时记录测量数据填入表一中。由于实验

21、误差，和总有差别，用圆极化波的椭圆度来表示，是输出指示的最小值， 是输出指示的最大值。表2.1：                :010200105060708090100110120130140150160170 圆极化波的椭圆度2、线极化波的调试与测试在前面产生圆极化波实验的基础上，前后调整的位置，使即可产生线极化波。调整的位置产生的波程差为，由此产生的位相差。由 可以解出 ，所以把的位置前后调整 就可以产生线极化波。 当转动角度为0、10、

22、20、.170度时记录测量数据填入表二中。表2.2：                   010200105060708090100110120130140150160170 3、椭圆极化波的调试与测试在前两部分实验的基础上，改变的位置，使或 即可产生椭圆极化波。当转动角度为0、10、20、.170度时记录测量数据填入表三中并计算出椭圆极化波的椭圆度e。表2.3：     &#

23、160;     010200105060708090100110120130140150160170 椭圆极化波的椭圆度六、实验报告要求完成表2.1和表2.2、表2.3中的测量和计算，验证波的极化特性。实验三 迈克尔逊干涉一、实验目的1、加深对电磁波的干涉现象的认识。2、能利用电磁波的干涉来测量电磁波的波长。二、实验原理迈克尔逊干涉实验的基本原理见图1，在平面波前进的方向上放置成450的半透射板。由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A方向传播，另一束向B方向传播。由于A、B处全反射板的作用，两列波就再次回到半透射板并到达接收喇叭处。于是接收喇叭收

24、到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的位相差为2的整数倍。则干涉加 A(固定反射板) 发射喇叭 接收喇叭 B(可移反射板) 图 3.1：迈克尔逊干涉实验强；当位相差为的奇数倍则干涉减弱。因此在A处放一固定板，让B处的反射板移动，当表头指示从一次极小变到又一次极小时，则 B处的反射板就移动2的距离因此有这个距离就可求得平面波的波长。三、实验仪器和设备DH926B型微波分光仪 1台四、预习要求学习电磁波的干涉理论。五、实验内容及步骤实验仪器布置如图31.使两喇叭口面互成900。半透射板与两喇叭轴线互成450。2.将读数机构通过它本身上带有的两个螺钉旋入底座上，使其固定在底座上。3.插上

25、反射板，使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。4.实验时将可移反射板移到读致机构的一端，在此附近测出一个极小的位置，然后旋转读数机构上的手柄使反射扳移动，从表头上测出（n1）个极小值，并同时从读数机构上得到相应的位移读数，从而求得可移反射板的移动距离L。则波长图3 ：迈克尔逊干涉实验的仪器布置六、实验报告要求根据测得的数据，计算出移动距离L，从而求出波长。实验四 双缝衍射实验一、实验目的研究电磁波的干涉现象，干涉角与干涉强度的关系。二、实验原理微波和光波都是电磁波，都能产生反射、折射、干涉和衍射等现象，利用微波和光波作波动实验所说明的波动现象及其规律是一致

26、的。当一平面波垂直入射到一金属板的两条狭缝上时，每一条狭缝就是次级波波源，由两缝发出的次级波是相干波，在金属板的背后空间将产生干涉现象。由于入射波通过每个狭缝也有衍射现象，实验将是干涉和衍射两者结合的结果，我们为了只研究主要是来自双缝的两束中央衍射波相互干涉的结果，令双缝的宽度a接近，例如，入射波波长=32mm，取缝宽a=40mm，由单缝衍射的一级极小公式，得，我们在一级极小范围内研究两束中央衍射波相互干涉现象。 当衍射角适合条件                       (1)时，两狭缝射出的光波的光程差是波长的整数倍，因而相互加强，形成明纹。当衍射角适合条件                 (2)时，两狭缝射出的子波的光程差是半波长的奇数倍时，干涉减弱应形成暗纹。所以干涉加强的角度为  &