电磁场实验报告sjtu.docx

电磁场实验报告sjtu.docx

《电磁场实验报告sjtu.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电磁场实验报告sjtu.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

电磁场实验报告sjtu

电磁场实验报告

实验一:

“场与波”动态演示软件的正确使用

实验名称:

“场与波”动态演示软件的正确使用

均匀平面波在无耗媒质中传播；均匀平面板在有耗媒质中传播；均匀平面波垂直

入射到无穷大理想导体表面；和均匀平面板垂直入射到无穷大不同理想电介质表

面。

实验目的：

通过本次实验，基本学会“场与波”动态演示软件的正确使用，并要求学生在课程学习中经常对照使用软件，加深对电磁场理论物理概念的正确理解。

实验仪器：

实验室计算机、“场与波”动态演示软件、投影仪

实验原理：

1、均匀平面波：

a均匀平面波在无耗媒质中传播

b均匀平面波在有耗媒质中传播

c均匀平面波垂直入射理想导体表面

d均匀平面波垂直入射理想电介质表面

平面波是指电磁波的等相位面是平面的电磁波。

严格地说，平面波是不存在的，因为只有无限大的波源才能激励起这样的电磁波。

但是如果当球面波的场点离波源足够远的话，那么空间球面波的很小一部分就十分接近平面波。

2、极化：

极化是指电磁波的场矢量随时间变化的轨迹，常用的极化有线极化、圆极化及椭圆极化

3、场结构的简易画法：

场结构是指电磁波的场矢量的结构形式

4、偶极子

电偶极子：

相距一小段距离d的一对等值异号电荷，这样构成的结构称为电偶极子

磁偶极子：

半径很小的圆形载流回路

5、史密斯圆图（阻抗圆图，导纳圆图）

史密斯圆图是在极坐标中用图解方法求解传输线方程的一种工具。

圆图有阻抗圆图和导纳圆图两种。

利用圆图来计算传输线问题，不但物理概念清晰，计算方便，而且能满足工程的要求。

实验步骤：

播放“场与波”的动态演示软件，并讲解动态演示软件的物理特性，以加深对电磁场与电磁波的物理概念的理解

思考题：

心得体会：

在本次实验中，经过老师细致耐心的演示，让我们直观地认识了均匀平面波、

极化、场结构、偶极子、史密斯圆周等概念。

借助软件的模拟生动地展示了平面

波的传输，各种极化的方式，偶极子等模型，不仅加深了对平时电磁场课程学习

的理解，也增添了课堂理论教学之外的趣味性。

感觉收获很大。

意见建议：

在大平台专业基础课中不同的专业对电磁场课程的学习要求不尽相同，但对于实验这门课程我觉得很重要也很必要，在平时的学习中，总觉得电磁场的理论十分的抽象，有些概念很难理解，而实验的课程正好向我们提供了这样的机会。

为以后的后续学习也打下了基础。

相信在学习了实验课程后今后的学习中会受益匪浅。

实验二、电磁场的反射定律的验证

实验名称:

电磁波反射定律的验证

电磁波反射现象：

电磁波在传播过程中如遇到障碍物，都会发生反射现象，不同

材质的反射体所反射的场强会有所不同，因此反射的强度与反射体的材质密切相

关。

实验目的：

1、学会微波分光仪的基本使用方法

2、了解与学习3公分信号源的产生、传输和基本特性

3、验证电磁波的反射定律

实验仪器：

微波分光仪（DH926）、测量放大器（YM3892）

实验原理：

微波与其他波段的无线电波相比有以下特点：

波长极短，频率很高，振荡周期极短。

与电子在电真空器件中的渡越时间，晶体管中载流子的飘移时间相似或者更短。

微波传输具有似光特性，其传输为直线传输。

电磁波在传输过程中遇到物体，具有明显的反射作用。

本实验以一块大的金属板作为障碍物来研究当电磁场从某一入射角射到金属板上所遵循的反射定律：

1、反射电磁波位于入射电磁波和法线决定的平面内；

2、反射电磁波和入射电磁波分别位于法线的两侧；

3、反射角等于入射角

实验步骤：

1、将两天线喇叭口面应互相正对，使得它们各自的轴线处在一条直线上。

此时两喇叭位置的指针应分别指示于工作平台的0°和180°刻度处。

2、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，拉起平台上四个压紧螺钉旋转一个角度后放下，将支座压紧。

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90°-90°刻度的一对刻线一致。

这时，小平台上的0°刻度就与金属板的法线方向一致。

4、连接仪器并在确认无误的情况下，开启DH1121B型三厘米固态信号发生器（单一的波长λ=32.02mm）。

5、转动小平台，将固定臂指针调到30°～65°角度之间任意一点，使得表头指示最大，这时固定臂指针所对应刻度盘上指示的刻度就是入射角的读数。

6、若此时的表头指示太大或者太小，可调整可变衰减器、固态源或检波器，使得表头的指示接近于满量程，一般应至少控制在满量程的2/3以上。

7、在本实验中，入射角最好取30°至65°之间，否则会因为入射角太大，而使接收喇叭有可能直接接收到入射波，从而影响试验效果。

实验数据记录：

θt

θr

30

40

45

55

65

左向

30.1

40.2

45.8

55.1

65.9

右向

33.2

42.6

46.2

54.8

66.2

实验数据处理：

θt

θr

30

40

45

55

65

左向

30.1

40.2

45.8

55.1

65.9

右向

33.2

42.6

46.2

54.8

66.2

平均

31.6

41.4

45.5

54.9

66.0

实验注意事项：

1、电表指示应该控制在满量程的2/3左右，否则可以改变发射机系统衰减器的读数。

2、注意系统的调整和周围环境的影响

3、不可随意调整微波信号源的频率，及接受晶体检波器的接收灵敏度

思考题：

1，说明反射定律是否与波长无关？

答：

无关。

由反射定律的定义可知，对于任何波长的波，入射角始终等于反射角。

且任意波长的波都具有粒子性，所以满足反射定律。

2.周围环境哪些因素会影响到本次试验结果的精度？

答：

外界的温度，手机信号的干扰，我们的说话声等等都会影响本次试验结果的精度。

3.电表指示太大或太小，应该如何处理?

答：

应该调整系统衰减器。

使得电表指示控制在量程的2/3左右。

实验三、微波信号源频率的测量

实验目的：

1、了解电磁波的干涉原理

2、了解电磁波的反射和透射特性

实验仪器：

微波分光仪、测量放大器

实验原理：

实验装置如图。

由发射喇叭射出的一束电磁波入射到与波的传播方向成45度角的半透射板上，分成反射与透射两部分电磁波。

这两部分电磁波分别经板A、B反射后又回到半透射板上，分别经半透射板的透射、反射进入接受喇叭。

由波的相干原理可以得到，干涉加强、干涉减弱的条件分别为：

式中，λ是入射波波长，ζ是两束光的波程差。

如果移动B板，在L的距离内一共出现了m个极小值，对应波程差改变了2L，那么有

用迈克尔逊干涉原理测量微波波长如上图所示。

由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播的过程中，我们把它近似看成均匀平面波。

此平面波投射到传播方向成45度的介质板MM上，被介质板分成两列波。

一列经介质板反射后垂直入射到金属板A，被A板反射回来，再经介质板折射后到达接受喇叭；另一列波经介质板MM折射后垂直入射到可动金属板B，被金属板B反射回来，也到达接受喇叭。

两列到达接受喇叭的电磁波若波程差满足一定得关系，那么这两列波也将发生干涉。

设到达接受喇叭的两列平面电磁波的振幅相同，只是由于波程不同而在相位上有所差别，其电场可表达为：

其中φ=βz是因波程差而造成的相位差。

其合成场强为：

可见合成波的电场振幅为

，所以

当

，n=0，1，2……时，合成波振幅为最大，当

，n=0，1，2……时，合成波振幅为最小。

实际上到达接受喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅值不是正好为2Em，合成波振幅的最小值也不是恰好为0。

根据以上分析，若固定金属板A，移动金属板B，只改变第二列波的波程，让两列波发生干涉，当合成波振幅最大时，由上式可得：

当合成波振幅最小时，可得：

由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：

若此时可动金属板移动的距离为Δl，则

可见，测得了可动金属板移动的距离Δl，代入上面公式便可确定电波波长。

实验中为了提高测量波长的精确度，最好测量出若干个加强和减弱点的位置，再求平均Δl。

设振幅最大时可动金属板游标所指示的坐标为z1，移动金属板，若接受喇叭输出指示由最大变到最小，再由最小变到最大，进而再由最大变到最小，这时标尺坐标为z2，则变化次数m=3，此时可动金属板位置Δl与z1、z2的关系应为：

实验步骤：

连接仪器并在确认无误的情况下，开启DH1121B三厘米固态信号发生器，使其处于正常工作状态；调整辐射喇叭天线的角度和仰角，使所辐射的电磁波在足够远处有足够的强度，并辐射和接受喇叭的口面互成90°，半透射板与两喇叭天线的轴线互成45°；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；在读数机构和平台上分别插上反射板使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致，可移动反射板的法钱与发射喇叭轴线一致；实验时，将可移动反射板移动到读数机构的一端，并在此附近测出一个极小的位置，然后通过旋转读数机构上的手柄来移动反射板，从表头上测出（n＋1）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。

实验数据记录：

第一最小点

第二最小点

第三最小点

第四最小点

第五最小点

极小点位置（mm）

70.23

54.64

40.10

24.56

7.69

实验数据处理：

由相邻两个最小点位置决定信号源波长：

d2-d1

d3-d2

d4-d3

d5-d4

位置差（mm）

15.59

14.54

15.54

16.87

波长（mm）

31.18

29.08

31.08

33.74

波长平均值为：

λ=31.27mm

那么振荡频率为：

f=95938MHz

实验思考题：

1.举例简述迈克尔逊干涉测量在不同领域中的应用

答：

1）测定气体的折射率。

2）探测太阳系外行星。

2.有干涉原理测出信源波长产生误差的因素有哪些？

如何减小这些测试误差？

1）空回误差

要减小空回误差需要在回调时允许一定的空转量。

即多转一点。

2）校准误差

这是由于发生器与仪器的连接角度全靠目测调整，难免存在误差，所以需要在实验前利用一组标准数据进行校准。

3）读数误差

因为读数时寻找的是最大值或是最小值，难免存在误差，解决办法是多次测量，取平均值。

3.考虑是否有其它方法来测量信号源的波长？

可以利用双缝干涉实验来测量，只要利用以前学习过的双缝干涉的知识以及公式就可以了。

实验四、介质的相对介电常数的测量

实验目的：

利用电磁波的干涉原理来测量介质的相对介电常数εr，从而进一步了解电磁波的反射和透射的基本特性。

实验仪器：

微波分光仪、测量放大器

实验原理：

在微波信号源频率测量实验的基础上，在固定反射板前放一块待测介质板，其相对介电常数εr，厚度为d，这样固定反射板的电磁波的波程差将会增加，为了得到新的极小点位置，必须将可移动反射板向右移Δl，在一定得假设条件下，经过简单的数学推导，我们得到待测介质板的相对介电常数与Δl满足下面关系：

实验装置如下图：

实验步骤：

1.在上个实验的基础上，在固定反射板前，放一块待测介质板，并用夹子夹住；

2.向右调节可移动反射板，使得电表指示数达到新的最小值，并记录最小位置的读数。

该读数与未加介质板时的读数相减，得到△L，连续移动反射板，得到若干个△L的值，取算术平均值；

3.用游标卡尺测量介质板的厚度。

实验数据记录：

d=2.31mm

第一最小点

第二最小点

第三最小点

第四最小点

第五最小点

老极小点位置（mm）

70.23

54.64

40.10

24.56

7.69

新极小点位置（mm）

--

56.32

43.03

25.90

9.54

实验数据处理：

第一最小点

第二最小点

第三最小点

第四最小点

第五最小点

算术平均值

老极小点位置（mm）

70.23

54.64

40.10

24.56

7.69

新极小点位置（mm）

--

56.32

42.63

26.90

9.54

极小点位置偏移（mm）

--

1.78

2.53

2.44

1.95

2.18

介质相对介电常数

--

3.13

4.39

4.23

3.40

3.79

Er=3.79

实验思考题：

1．介质的相对介电常数的测量误差与哪些因素有关？

答：

方法与测波长相似，所以误差也相似，如下

1）回程误差

2）校准误差

装置的角度全是由目测调整，难免不能完全直线或者垂直的关系，这样会造成误差。

3）读数误差

因为读数时寻找的是最小值，难免存在误差，比如读游标卡尺时的误差，可以多次测量取平均值减少误差。

2．在推导公式的过程中做了哪些假设？

答：

假设介质板的相对介电常数是均匀的

假设空气的写得介电常数为1

假设新老测量的传播距离不变

假设实验条件均在理想状态下