电磁波传播特性 电磁波传播特性-南京大学

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1、电磁波传播特性电磁波传播特性-南京大学实验四电磁波传播特性一、实验目的1、了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理；2、利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长λ，确定电磁波的相位常数K和波速v；3、研究电磁波在良导体表面的反射。二、实验仪器三厘米固态信号发生器1台，电磁波综合测试仪1套，反射板（金属板）2块，半透射板（有机玻璃板）1块。三、9实验原理1、电磁波参量的测量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媒质中传播时，几列波可以保持各自的特点（波长、波幅、频率、传播方向等）同时通过媒质，在几列

2、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、振动方向相同、相位差恒定的波源所发出的波叠加时，在空间总会有一些点的振动始终加强，而另一些点的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。利用迈克尔逊干涉原理测量电磁波波长的原理图如图1所示图1迈克尔逊干涉原理由发射喇叭发射出的电磁波，在空间传播过程中，可以把它近似看成为均匀平面波。在平面波传播的方向上放置一块成45度角的半透明板，由于该板的作用，将入射波分成两列

3、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收喇叭；另一列波经介质板折射后垂直入射到可动金属板B，被金属板B反射回来，也到达接收喇叭。接收喇叭收到两束同频率，振动方向一致的两列波。两列到达接收喇叭的电磁波若波程差满足一定的关系，那么这两列波将发生干涉。设到达接收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，其电场可以表示为：E1=Eme−iωt9E2=Eme−i(ωt−φ)其中ϕ=βz是因波程差而造成的相位差。其合成场强为：E=E1+E2=Eme−iωt1+eβz

4、2iβzβz−iωt−βz29=2Emcose所以，合成波的电场振幅为2Emcosβzβzπ当2=nπ,n=0,1,2……时，合成波振幅最大（为2Em）；当2=nπ+2,n=0,1,2……时，合成波振幅最小（为0）。实际上到达接收喇叭的两列波的振幅不可能完全相同，故合成波最大振幅不是正好为2Em，合成波振幅最小值也不是为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，可得：z1=当合成波振幅最小时，可得：z2=2(nπ+2)π2nπ2nπ==nλλ=2(nπ+2

5、)λπ1=(n+)λ由最大振幅到最小振幅的最短波程差为：λz2−z1=若移动金属板的距离为l，则：λ2∆l=z2−z1=λ=4∆l实验中，为了提高测量波长的精确度，测量多个极小值的位置，设S0为第一个极小值的位置，Sn为第（n+1）个极小值的位置，L=Sn−S09，则波长λ=2Ln2.电磁波的反射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，以平行折射波为例，(1)反射定律：θ1=θ1′(2)折射定律：sinθ2=12sinθ12）平行极化波入射到两种媒质分界

6、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R//和折射系数T//分别为：−ϵ1E1R//==12ϵ1ϵ2cosθ−ϵ2−sin2θ1cosθ+ϵ−sin2θ12T//=E2=12ϵ12cosθϵ21cosθ+9ϵ−sin2θ12平行极化波斜入射时发生无反射，即R//=0，应有ϵ2ϵ2cosθ=−sin2θ11可以解出无反射时的入射角ϵ2θ1=θP=arcsin12θP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cosθ−2−sin2θR⊥

7、=ϵ12ϵ1和折射系数分别为：cosθ+−sin2θcosθ+ϵ−sin2θ1T⊥=2对于一般媒质ϵ1≠ϵ2，μ1≠μ2，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cosθ≠ϵ2−sin2θ，R⊥9≠0，所以不可能发生全1反射。沿任意方向极化的平面电磁波，以θ1=θP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，E2=0，所以E1=E1，R=1，T=0.电磁波在传播过程中如遇到障碍物，必定要发

8、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。四、实验内容1、电磁波参量的测量（1）整体机械调整，使PT、PR相向，轴线在同一水平面线上，调整信号电平，使PR表头指示接近满