36745

Изучение основных свойств волновых явлений

Лабораторная работа

Физика

Измерьте зависимость амплитуды принимаемого приемником сигнала показания микроамперметра от угла поворота приемника относительно его начального положения в пределах от до поворачивая подвижную скамью с приемником вокруг неподвижной оси через . Угол поворота 5 10 15 20 25 30 35 40 45 90 Амплитуда 465 39 23 125 35 1 05 05 05 0 Таблица 2. Угол поворота 5 10 15 20 25 30 35 40 45 90 Амплитуда 40 245 105 15 1 1 1 05 05 0 Рис. Измерьте зависимость показаний микроамперметра от угла поворота детектора влево и вправо от центра...

Русский

2013-09-23

211 KB

9 чел.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Наименование факультета – ЕНМ

Наименование выпускающей кафедры – Общая физика

Наименование учебной дисциплины - Физика

Лабораторная работа № 2-26.

«Изучение основных свойств волновых явлений».

Исполнитель:

Студентка, группы 13а61(_______) Королева Я.Ю.

                                                       подпись   

                                (_______)

                                                                                                                                          дата

Руководитель, профессор (_______) Крючков Ю.Ю.

                                                                     Должность, ученая степень, звание        подпись

          (_______)

                                                                                                                                          дата

Томск –2008

Цель работы: изучение основных явлений, наблюдаемых при распространении электромагнитных волн сверхвысоких частот (микроволн): интерференции, дифракции, поляризации.

Приборы и принадлежности: генератор электромагнитных микроволн Г4-83, рупорная излучательная антенна, металлические экраны (сплошной, с одной щелью, с двумя щелями), диэлектрический экран, металлическая решетка, рупорный детектор, микроамперметр, оптическая скамья, гониометр с ценой деления .

Упражнение 1. Определение диаграммы направленности излучателя

Методика и техника измерений

1. Включите генератор и дайте ему прогреться в течение 5 мин.

2. Установите приемник электромагнитных волн на дальнем конце подвижной скамьи. Все принадлежности с платформы гониометра необходимо убрать. Поверните рупорные антенны излучателя и приемника таким образом, чтобы их широкая часть размещалась вертикально, а узкая - горизонтально. Нажмите клавишу НГ или ЧМ. Отрегулируйте положение приемного рупора таким образом, чтобы микроамперметр показывал максимальное значение тока.

3. Установите в отверстие в центре гониометра решетку с металлическими прутьями. Расположите металлические прутья так, чтобы они установились горизонтально направлению широкой части излучательного и приемного рупоров.

4. Определите направление вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны излучателя с помощью решетки с металлическими прутьями. (Решетка должна быть установлена в такое положение, чтобы пропускать максимум падающего на нее от излучателя излучения).

5. Измерьте зависимость амплитуды  принимаемого приемником сигнала (показания микроамперметра) от угла поворота  приемника относительно его начального положения в пределах от  до , поворачивая подвижную скамью с приемником вокруг неподвижной оси через . Запишите все задаваемые значения углов и соответствующие им значения показаний микро-амперметра.

6. Отожмите клавишу НГ или ЧМ.

7. Постройте по полученным данным диаграмму направленности излучателя в полярных координатах . Сделайте выводы.

Таблица 1.

Результаты измерений зависимости амплитуды в пределах от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

90

Амплитуда

46,5

39

23

12,5

3,5

1

0,5

0,5

0,5

0

Таблица 2.

Результаты измерений зависимости амплитуды в пределах от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

90

Амплитуда

40

24,5

10,5

1,5

1

1

1

0,5

0,5

0

Рис.1. График зависимости .

Вывод: определили направление вектора напряженности электрического поля электромагнитной волны излучателя с помощью решетки с металлическими прутьями, и выявили, что при отведении гониометра на положительный градус, амплитуда увеличивается, нежели в обратную сторону, как показано на рисунке рис. 1.

Упражнение 2. Изучение отражения электромагнитной волны от поверхности металла и наблюдение стоячей волны

При сложении когерентных волн возникает явление интерференции, заключающееся в том, что колебания в одних точках усиливают, а в других точках ослабляют друг друга.

Очень важный случай интерференции наблюдают при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате этого наложения колебательный процесс называется стоячей волной.

Уравнение стоячей волны

                                               .                                             (1)

Из уравнения стоячей волны вытекает, что в каждой точке этой волны происходят колебания той же частоты  с амплитудой , зависящей от координаты  рассматриваемой точки.

В точках среды, где

                                                   ,                                                      (2)

амплитуда достигает максимального значения,  равного . В точках среды, где

                                                ,                                             (3)

амплитуда колебаний обращается в нуль.

Точки, в которых амплитуда колебаний максимальна, называются пучностями стоячей волны, а точки, в которых амплитуда колебаний обращается в нуль, называются узлами стоячей волны. Точки среды, находящиеся в узлах, колебания не совершают.

Из формул (2) и (3) следует, что расстояния между двумя соседними пучностями и двумя соседними узлами одинаковы и равны .

Задание

1. Измерить расстояние между соседними пучностями и соседними узлами полученной стоячей волны.

2. Определить длину волны и частоту электромагнитного излучения генерируемого генератора, используемого в работе.

Методика и техника измерений

1. Поместите сплошной металлический экран на противоположном от излучателя конце длинной оптической скамьи.

2. Уберите все, что находится на подвижной оптической скамье, и поверните ее в сторону от экспериментатора так, чтобы она не мешала движению приемника вдоль большой скамьи.

3. Установите приемник на большой оптической скамье так, чтобы рупор приемника был направлен в сторону сплошного металлического экрана. Нажмите клавишу НГ или ЧМ.

4. Определите, медленно перемещая детектор вдоль оптической скамьи в направлении от металлического экрана к излучателю, координаты узлов и пучностей стоячей волны в количестве не менее 10.

5. Запишите расстояния между соседними узлами и соседними пучностями , определите их средние значения и оцените длину электромагнитной волны и частоту, излучаемую излучателем из соотношения .

6. Оцените погрешность в определении длины волны .

7. Отожмите клавишу НГ или ЧМ.

Таблица 3.

Результаты измерений между соседними пучностями и узлами.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Пучности

226

230

233

235

237

239

242

245

248

252

Узлы

228

232

235

237

238

241

244

249

252

255

Вывод: определили координаты узлов и пучностей стоячей волны, используя металлический экран, который мы установили на оптическую скамью. При вычислении средних значений видно, что расстояние между соседними узлами немного меньше, чем – у пучностей.

Упражнение 3. Интерференция микроволн от двух когерентных источников

Наиболее легкими способами получения двух когерентных источников волн являются:

а) расщепление пучка электромагнитных микроволн путем пропускания его через две параллельные щели, расположенные на значительном расстоянии друг от друга на плоской проводящей поверхности. Положение максимумов интенсивности в интерференционной картине в этом случае можно рассчитать по формуле

                                                              ,                                                                  (4)

где  - расстояние между серединами щелей;

б) с помощью отражающей плоскости - зеркало Ллойда.

Детектор  получает два сигнала. Первый - это прямой сигнал от передающего рупора. Второй - сигнал, отраженный от проводящей поверхности. Если между ними имеет место оптическая разность хода

                                                               ,                                                              (5)

то детектор покажет минимум интенсивности электромагнитного излучения.

Задание

1. Провести измерение интерференционной картины за двумя параллельными щелями на металлическом экране.

2. Провести измерение интерференционной картины, даваемой зеркалом Ллойда.

3. Проверить совпадение теоретических и экспериментальных результатов.

Методика и техника эксперимента

1. Поместите детектор на дальнем конце подвижной оптической скамьи и направьте его рупором к рупору излучателя. Нажмите клавишу НГ или ЧМ.

2. Установите в центре платформы гониометра металлический экран с двумя щелями.

3. Отрегулируйте положение детектора так, чтобы микроамперметр показывал максимальное значение тока для центра максимума нулевого порядка, повернув ручку “Выход ” по часовой стрелке и против часовой стрелки, если микроамперметр зашкаливает.

4. Измерьте зависимость показаний микроамперметра от угла  поворота детектора влево и вправо от центра центрального максимума на . Измерение тока необходимо провести не более чем через  поворота детектора.

5. Отожмите клавишу НГ или ЧМ.

6. Постройте в полярных координатах график зависимости показаний микроамперметра от угла поворота детектора.

7. Рассчитайте по формуле (4) углы, в которых должны наблюдаться максимумы интенсивности интерференционной картины, и сравните с результатами, которые получаются экспериментально. (Максимумы интенсивности совпадают с максимумами амплитуды).

8. Сделайте выводы по полученным результатам.

9. Поместите сплошной металлический экран на противоположном от излучателя конце длинной оптической скамьи.

10. Поместите на неподвижной оптической скамье поперечную оптическую скамью длиной  и на ней излучающий и принимающий рупоры так, чтобы электрическая составляющая электромагнитного поля была направлена вертикально.

11. Направьте рупоры на металлический экран.

12. Проведите настройку положения рупоров таким образом, чтобы принимающий рупор получал одновременно сигнал от излучающего рупора и сигнал, отраженный от металлического экрана.

13. Меняя частоту электромагнитных колебаний, генерируемых генератором СВЧ, занесите в таблицу значения частоты, которая соответствует минимуму интенсивности принимающего приемным рупором сигнала.

Таблица 4.

Результаты измерений интерференционной картины от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

90

Амплитуда

35

14

3

12

18

19

27

17

13

9

5

1,5

1

2

1

0,5

0

Таблица 5.

Результаты измерений интерференционной картины от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

90

Амплитуда

42,5

31

8

2

3

9

18

15

10,5

6

1,5

0,5

0

Рис.2. График зависимости .

Вывод: провели измерения интерференционной картины, поместив металлический экран с двумя щелями. По результатам измерений табл. 4 и 5 определили, что отклонение гониометра против часовой стрелки амплитуда увеличивается.

Упражнение 4. Дифракция микроволн на узкой щели в плоской проводящей поверхности

Дифракция волн - это любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики.

Так как в электромагнитной волне имеются электрическая и магнитная составляющие, то после щели можно рассматривать два типа полей.

1. Поле первого типа возникает, когда электрическая составляющая параллельна щели. Благодаря наличию проводящей поверхности электрическое поле будет равно нулю для , чему отвечает поле излучения:

                                                  .                                                 (5)

2. Поле второго типа возникает, когда магнитное поле параллельно щели. В этом случае поле излучения определится формулой

                                                     .                                                       (6)

Получим формулу для расчета напряженности электрической составляющей электромагнитного поля в любой точке пространства за широкой щелью. Расстояние от линейного источника в щели до  равно

                                                    ,                                                    (7)

тогда

                                               .                                                 (8)

В формулах  - координата источника в щели. Электрическое поле в точке

                                           .                                              (9)

Уравнение (9) упрощается, если расстояние от щели  велико по сравнению с ее шириной . Тогда угол  очень мало меняется вдоль щели и существенным является лишь изменение фазы. В таком приближении получаем

                                  .                                (10)

Интегрируя и упрощая это выражение, имеем окончательно:

                                .                                  (11)

Детектированный сигнал будет пропорционален .

Задание

1. Измерьте зависимость показаний микроамперметра детектора микроволн от угла поворота приемника влево и вправо относительно центра дифракционного максимума нулевого порядка.

2. Постройте в полярных координатах эту зависимость и сделайте выводы о совпадении экспериментальной и теоретической кривых.

Методика и техника эксперимента

1. Установите излучатель справа от щели на конце неподвижной скамьи, детектор слева от щели на дальнем конце подвижной оптической скамьи и направьте его рупором к рупору излучателя.

2. Нажмите клавишу НГ и ЧМ. Вращением ручки “Выход ” отрегулируйте показания микроамперметра детектора.

3. Установите рупоры так, чтобы микроамперметр показывал максимальное значение тока при установленном положении ручки “Выход ”.

4. Установите в центре платформы металлический экран с прорезанной щелью.

5. Измерьте, медленно поворачивая детектор вокруг центра щели, диаграмму излучения. Измерение тока необходимо провести не более чем через  (особенно тщательно в местах минимальной интенсивности излучения).

6. Запишите в рабочую тетрадь значения углов поворота (влево и вправо от центра центрального максимума) и соответствующие им значения тока.

7. Отожмите клавишу НГ или ЧМ.

8. Постройте в полярных координатах зависимость квадрата тока микроамперметра от угла поворота детектора относительно центра центрального максимума. (Принимаем, что  пропорционально квадрату тока микроамперметра).

9. Сделайте выводы.

Таблица 6.

Результаты измерений микроамперметра детектора микроволн от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

90

Амплитуда

45

34

21

11

10

7

6

4

3

3

2

1

1

0

Таблица 7.

Результаты измерений микроамперметра детектора микроволн от  до .

Угол поворота

5

10

15

20

25

30

35

40

45

90

Амплитуда

46

37,5

34,5

11

10

2

1

1

0,5

0

Вывод: измерили диаграмму излучения, установив металлический экран с прорезанной щелью в центре на оптической скамье. При отводе гониометра на градусы, исходя из результатов в табл. 6 и 7, показания микроамперметра детектора практически не изменяются.


Кривая зависимости амплитуды от угла поворота от 0 до -90

ривая зависимости амплитуды от угла поворота от 0 до +90

Амплитуда

Угол поворота

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

50

40

30

20

10

0


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69861. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ПРАВО 485 KB
  Понятие и система экологического права; объекты экологических отношений; становление и основные этапы развития экологического права; нормы экологического права и экологические правоотношения; источники экологического права; право собственности на природные ресурсы...
69862. Компьютерная графика, курс лекций 6.57 MB
  Объем информации, содержащейся в векторном представлении, не зависит от физических размеров изображения. Например, на одной картинке представлен отрезок от точки (0,0) до точки (10,10), а на другой – от точки (1000,1000) до точки (10000,10000).
69863. Римское право: Учебно-методический комплекс 207 KB
  Его значение определяется огромным влиянием не только на последующее становление права но и на развитие культуры в целом. Римляне создали совершенную универсальную систему права имеющую основой частную собственность уникальную по степени своей внутренней гармонии и завершенности.
69864. УГОЛОВНОЕ ПРАВО 1.23 MB
  Понятие предмет метод система и источники уголовного права; уголовный закон; понятие и признаки преступления; классификация категории преступлений; состав преступления; объект преступления; объективная сторона преступления; субъект преступления субъективная сторона преступления...
69866. Гражданский процесс: Учебно-методический комплекс 848.5 KB
  Государственные требования к минимуму содержания дисциплины Формы защиты гражданских прав; понятие гражданского процесса источники гражданского процессуального права процессуальная форма; принципы российского гражданского процессуального права; гражданские процессуальные отношения...
69867. ГРАЖДАНСКОЕ ПРАВО 1.42 MB
  Понятие, предмет, метод, система и источники гражданского права; понятие, элементы, виды и основания гражданских правоотношений; субъекты гражданского права; правоспособность и дееспособность граждан, её содержание, возникновение и прекращение; понятия...
69868. ИНОСТРАННЫЙ ЯЗЫК: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС 791 KB
  Теория и практика перевода Адекватная передача понятого текста выбор нужного слова или лексического варианта правильное построение предложения при переводе. Теория и практика перевода Виды перевода: перевод научной и общественно-политической литературы перевод юридических документов...
69869. КОНСТИТУЦИОННОЕ ПРАВО: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС 479 KB
  Понятие, предмет, метод и источники конституционного права; Конституция Российской Федерации; основные этапы конституционного развития России; основы конституционного строя; конституционный статус личности в РФ; избирательная система в РФ; федеративное государство; Президент РФ...