物理实验研究性报告样本.docx

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物理实验研究性报告样本

研

究

性

报

告

院系:

航空科学与工程学院

学号:

39052719

姓名:

张超

”微波实验和布拉格衍射”的研究性报告

一、布拉格衍射实验

任何的真实晶体,都具有自然外形和各向异性的性质,这和晶体的离子、原子或分子在空间按一定的几何规律排列密切相关。

晶体内的离子、原子或分子占据着点阵的结构,两相邻结点的距离叫晶体的晶格常数。

真实晶体的晶格常数约在10-8厘米的数量级。

X射线的波长与晶体的常数属于同一数量级。

实际上晶体是起着衍射光栅的作用。

因此能够利用X射线在晶体点阵上的衍射现象来研究晶体点阵的间距和相互位置的排列,以达到对晶体结构的了解。

布拉格衍射实验的仪器布置

本实验是仿照X射线入射真实晶体发生衍射的基本原理,人为的制做了一个方形点阵的模拟晶体,以微波代替X射线,使微波向模拟晶体入射,观察从不同晶面上点阵的反射波产生干涉应符合的条件。

这个条件就是布拉格方程,它是这样说的,当波长为λ的平面波射到间距为a的晶面上,入射角为θ,当满足条件nλ=2aCOSθ时（n为整数）,发生衍射。

衍射线在所考虑的晶面反射线方向。

在一般的布拉格衍射实验中采用入射线与晶面的夹角（即通称的掠射角）α,这时布拉格方程为nλ=2asinα我们这里采用入射线与靠面法线的夹角（即通称的入射角）,是为了在实验时方便,因为当被研究晶面的法线与分光仪上度盘的00刻度一致时,入射线与反射线的方向在度盘上有相同的示数,不容易搞错,操作方便。

实验仪器布置如上图

实验中除了两喇叭的调整同反射实验一样外,要注意的是模拟晶体球应用模片调得上下左右成为一方形点阵,模拟晶体架上的中心孔插在支架上与度盘中心一致的一个销了上。

当把模拟晶体架放到小平台上时,应使模拟晶体架下面小圆盘的某一条与所研究晶面法线一致的刻线与度盘上的00刻线一致。

为了避免两喇叭之间波的直接入射,入射角取值范围最好在300到700之间。

二、单缝衍射实验

单缝衍射实验

如图,当一平面波入射到一宽度和波长可比拟的狭缝时,就要发生衍射的现象。

在缝后面出现的衍射波强度并不是均匀的,中央最强,同时也最宽。

在中央的两侧衍射波强度迅速减小,直至出现衍射波强度的最小值,即一级极小,此时衍射角为

其中λ是波长,a是狭缝宽度。

两者取同一长度单位,然后,随着衍射角增大,衍射波强度又逐渐增大,直至出现一级极大值,角度为:

实验仪器布置如下图

单缝衍射实验的仪器布置

仪器连接时,请按以下步骤操作:

⑴、开启DH1121B型三厘米固态信号发生器。

⑵、调整DH926B型微波分光仪单缝衍射板的缝宽,将该板放到支座上时,应使狭缝平面与

支座下面的小圆盘上的900-900刻线一致。

⑶、转动小平台使固定臂的指针在小平台的1800刻度处,此时小平台的0刻度就是狭缝平面的法线方向。

⑷、调整信号电平使表头指示接近满刻度。

然后从衍射角00开始,在单缝的两侧使衍射角每改变10读取一次表头读数,并记录下来。

⑸、画出单缝衍射强度与衍射角的关系曲线,并根据微波波长和缝宽算出一级极小和一级极大的衍射角,并与实验曲线上求得的一级极小和极大的衍射角进行比较。

实验曲线的中央较平,甚至还有稍许的凹陷,这可能是由于衍射板还不够大之故。

三、迈克尔逊干涉实验

A（固定反射板）

发射喇叭

接收喇叭B（可移反射板）

迈克尔逊干涉实验

迈克尔逊干涉实验的基本原理见图六,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

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2π的整数倍。

则干涉加强;当位相差为π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λ／2的距离．因此有这个距离就可求得平面波的波长。

迈克尔逊干涉实验的仪器布置

实验仪器布置如图;仪器连接时,请按以下步骤操作:

⑴开启DH1121B型三厘米固态信号发生器。

⑵使两喇叭口面互成900。

半透射板与两喇叭轴线互成450;

⑶将读数机构经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;

⑷在读数机构和平台上分别插上全反射板使固定反射板的法线与接受喇叭的轴线一致;可动移全反射板的法钱与发射喇叭轴线一致。

实验时将可移反射板移到读数机构的一端,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板移动,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。

则波长

四、原始数据处理:

五、实验分析研究

本学期物理实验中我选做了”微波实验和布拉格衍射”实验,做完实验,感触很深。

经过本次实验我了解了布拉格衍射的原理,对迈克尔逊干涉实验的测量也有了初步的了解。

本次实验我学会了一种测量布拉格衍射的方法,对我来说本次实验比较成功,但自己仍旧觉得本实验的设计不是很完美,还有待改进。

我觉得本实验操作过程中误差来源太多,导致实验误差比较大。

误差来源主要有以下几个方面:

1、布拉格衍射的晶体模型铝球并未固定在尼龙绳上,能够左右移动,而且尼龙绳也不是完全伸直,能够在附近位置晃动,远离本身的位置,这样破坏了简单立方晶体的规则性,使实验中模拟的立方晶体不能准确地表现实际立方晶体地结构,从而破坏了衍射公式的准确性,产生无法避免的误差。

2、实验过程中微波分光仪的发射臂和接受臂不能保证完全成180度夹角,在实验过程中会左右晃动,使得在后续测量过程中出现误差。

3、在转动微波分光仪接受臂的过程中,由于偏心作用使得所读出的角度不准确,出现误差。

4、在做单缝衍射实验过程中,难以保证单缝衍射板与微波入射方向完全垂直,使得测量结果出现偏差,进而导致所画单缝衍射图形不准确。

5、迈克尔逊干涉实验中半反射半透射板与反射板A、B没有成45度角,使得测量极值位置时出现偏差,导致结果出现偏差。

6、由于本实验采用的是3厘米微波,其自身的波长与实验室中的很多仪器设备的限度较为接近,容易发生干涉,衍射,也会干扰微波的测量产生影响。

7、人为操作不当造成结果偏差。

以上几个方面是我认为在本实验中造成误差的几个比较重要的方面,其中人为误差可在操作过程中改正。

而其它几个方面我觉得则应该经过改进实验仪器,进而提高实验精度来实行。

晶体模型我觉得能够经过对绳打结,将铝球固定在绳上,使之不会在绳上随意移动,这样就能够减去梳理珠子的步骤,而且能够保证在实验过程中,铝球不会随着外部晃动发生较大移动;尼龙绳也能够由刚度较大的细金属丝代替,这样每排金属小球能够基本保持在同一条直线上。

微波分光仪我觉得也应该做相应的改进:

首先,应该仿照分光仪的设计,给接受臂增加固定装置,例如在其转轴处增加一个固定螺母,当其转到某一位置时能够固定下来,这样,就能够使得发射喇叭和接收喇叭共线而不会随意摆动,使得实验数据的测量更加准确,现象更加明显。

其次,在接收臂上应该安180度的对称方式各安装一个读数指针,这样就可较好的消除偏心误差,使得测量结果更加准确,同时也使得调节过程简单,例如调节发射臂与接收臂成180度角时,只需让接收臂的指针与发射臂指针重合即可。

再者,为保证迈克尔逊干涉实验过程中的位置关系,

可在实验过程中添加一个量角仪器,如三角板,确保反射板互相垂直,并与玻璃板成45度角,以保证实验测量结果的准确度。

六、总结

做完了本实验,虽然感觉最后所得结果误差较大,但总体上感觉还不错,既学到了有关微波的一些知识,又熟悉了相关仪器的操作方法,并为以后的实践积累了经验。

针对实验误差较大的问题,我提出了自己的理解以及相关看法,同时,也提出了相关的改进方法,这些改进方法仅为我的个人想法,如有不合适或错误的地方,请老师予以指正!