物理研究性实验报告1

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1、摘要：木研究性实验报告主要介绍了微波实验和布拉格衍射的原理、仪器、方法、步骤，并分别用逐羌法和一元线性回归法对数据进行处理，对课差进行了详细的分析，进一步结合学过的物理知识，利用本实验提供的设备，自行设计了一个微波的干涉实验，这是本报告的创新点。实验目的1.了解微波的特点，学习微波器件的使用:2.了解布拉格衍射原理，利用微波在模拟晶体上的衍射验证布拉格公式并测定微波的波长；3.通过微薄的单缝衍射和迈克尔逊干涉实验，加深对波动理论的理解。实验原理1、微波通常电磁波按照波长的长短分成各个波段：超长波、长波、屮波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线

2、、丫射线等。微波波段介于超短波和红外线之间，波长范围为即频率为300GHz〜300MHz）。从本质上说，微波与普通的电磁波没冇什么不同，但其波长、频率和能最具有特殊的最值，这使得微波具仔一系列既不同于普通无线电波,有不同于光波的特点：①一般的低频电路，其电路尺寸比波长小得多，可以认为稳定状态的电压和电流效应在整个电路系统各处是同时建立起来的，故可以用电压、电流来对系统进行描述；而微薄的波长与电路尺寸可相比拟，甚至更小，此时微波表现出更多“场”的特点，电压、电流已失去原冇物理含义，可以直接测量的量是波长、功率和驻波系数等。②微波的频率很高，其电磁振荡周期短到能

3、与电子管中电子在电极间度越所经历的时间相比拟，因此普通电子管已经不能用做微波振荡器、放大器和检波器，必须用微波电子管代替。同样，其他低频电路的元器件、传输线及测量设备等也都不设用于为波段，而徐改用微波器件。③许多原子、分子能级间跃迁辐射或吸收的电磁波的波长匸好处在微波段，利用这一点可以去研究原了、原了核和分了的结构。微波的波长比普通电磁波短得多，因此微波具有拟光性——直线传播、反射和折射等，利川这一特点可制成方向性极强的天线、雷达等；微波能畅通无阻地穿过高空电离层，为宇宙通信、导航、定位及射电天文学的研究和发展提供了广阔的前景。总Z,微波技术在电视、通信;雷

4、达，乃至医学、能源等领域都有广泛的应用。品体结构晶休屮的原子按一定规律形成高度规则的空间排列，成为晶格。最简单的晶格是所谓的简单立方晶格，它沿3个垂总方向x、y、z等距排列的格点所组成。间距a称为晶格常数（见图）。晶格在儿何上的这种对称性也可以用晶面来描述。把格点看成是排列在一层层平行的平面上，这些平面称为晶血，用晶面（密勒）指数来表示。确定晶面指数的具体办法如下：先找出品面在3个品格朋标上的截距，并除以品格常数，再找出它们的倒数的最小整数比，就构成了该晶而的晶而指数，一个格点可以沿不同方向组成晶而，图给HIT3种最常用的晶面:doo）（lio）面和（ill

5、）曲。晶而取法不同，则晶面间距不同。相邻两个（10（））面的间距等于晶格常数a,相邻两个（110）W的间距等于晶格常数a/V2,相邻两个（111）面的间距等于品格常数a/V3o对立方品体而言，晶面指数为（）的晶面族，其相邻两个晶面的间距为d=CljJ+72；+o布拉格衍射在电磁波的照射下，晶体每个格点上的原子或离子，其内部的电子在外来电场的作用下作受迫振动，成为一个新的波源，向各个方向发射电磁波，这些由新波源发射的电磁波是彼此想干的，将在空间发生T•涉。这同多缝光栅的衍射很相似，晶格的格点与狭缝相当，都是衍射单元，而少光栅常数d相当的则是品体的品格常数a。它

6、们都反映了衍射层的空间周期，两者的区别主要在于多缝光栅是一维的，而晶体点阵是三维的，所以晶体对电磁波的衍射是三维的衍射。处理三维衍射的方法是将具分解成两步走：第一步是处理一个晶面屮多个格点之间的干涉（称为点间干涉）；第二步是处理不同晶面之间的干涉（称为面间干涉）。研究衍射问题最关心的是衍射强度分布的极值位置。对一维光栅的衍射，极大位置由光栅方程给出：〃sin&=Uo在三维的晶格衍射中，这个任务是这样分解的：先找到晶面上点间T•涉的0级主极大位置，再讨论各不同品面的0级衍射线发牛干涉极大的条件。（1）点间干涉电磁波入射到如图屮所示的晶血上，考虑由多个格点AlA

7、2-BiB2CiC2••发出的子波间的相干叠加。这个二维点阵衍射的0级主极强方向，应该符合沿此方向的所有-衍射线之间无程差。不难想见，无程差的条件应该是：入射线与衍射线所在的平面与品血…CC?…垂直，几衍射角等于入射角;换言乙二维点阵的o级主极强方向是以晶而为镜面的反射线方向。（2）面间干涉如图所示，从间距为d的相邻两个晶面反射的两束波的程差为2dsin0,&为入射波与晶面的掠射角。显然，只有满足下列条件的&,即2dsin3=kA（£=1,2,3,…）才能形成干涉极大。上式称为晶体衍射的布拉格条件。如果按习惯使用的入射角0表示，则布拉格条件叮写成2dcos/

8、?=U（k=l,2,3,…）布拉格定律的完整表述是：