《电磁场与波》实验指导书
实验 一 电磁波的反射与折射(验证实验 2学时)
1实验目的
1.1研究电磁波在良导体表面上的反射定律。 1.2研究电磁波在理想介质表面的反射和折射。 1.3研究电磁波产生全反射和无反射的条件。
2实验原理
2.1当均匀平面电磁波入射到两种不同媒质分界面上斜入射时，一般要产生反射和折射。在分界面上，入射波与反射波、折射波之间服从以下规律：
?i??? ... ... ... 1.1
sin??sin?i?k?VkV1221?????1212 ... ... ... 1.2
其中?i、??、?t分别为入射角、反射角和折射角。且令?i=??=??，?t=?2，ki、k?、kt分别为入射波、反射波、折射波的波矢量，其大小分别为ki=k?=k1 、 kt=k2 。
2.2以上规律只反映了反射波、折射波与入射波之间的方向关系、而电场强度之间的大小和相位关系，可用反射系数和折射系数来表示。
对平行极化波来说，在两种媒质分界面上的反射系数RⅡ和透（折）射系数TⅡ如下：
cos???cos?? ... ... ... 1.3 R??cos???cos?2?cos? ... ... ... 1.4 T?cos?cos????Ⅱ11221122Ⅱ212211?1、?2分别为第一媒质和第二媒质的特性阻抗。
现在我们来讨论最常见的两种情况： 2.2.1当波斜入射到良导体表面上时，由于
而良导体的?
???，故?2?0，所以RⅡ?1,TⅡ?0 。
?2???2ei?4 ... ... ... 1.5
这说明电磁波将发生全反射。
电磁场与波实验指导书 第1页
2.2.2平行极化电磁波斜入射到两种理想电介质分界面上产生无反射即全折射的条件是RⅡ?0。 因为一般媒质?1=?2=??，故可得到平行极化波以?1=??=arcsin
?2入射的，将满足R?1??2Ⅱ?0的
条件。该结论对电磁波从波疏媒质向波密媒质(?1?2)投射都能满足。
?理论分析证明，此时折射角与布儒斯特角?之间关系为：?=?=
2p
tp如图1.2示，只要?1=?p，则在介质板的另一侧就可直接收到全部信号。 2.3由于一般媒质均有?1=?2=?0，故对垂直极化不存在无反射现象现象。
3仪器设备
分度转台，三厘米微波振荡源、隔离器、可变衰减器、晶体检波器、喇叭天线，波导同频转换器，光电检流计，介质板，电缆，金属板。
4设备调整
4.1振荡器输出端通过隔离器、可变衰减器接发射天线，安装在固定臂上，改变可变衰减器可以调节入射波的强度。
4.2光电检流计由视频电缆与晶体检波器接到接收天线上，安装于活动臂上，活动臂上有一指针指着刻度盘，转动活动臂即可读得转动的角度。
4.3用水平仪校正分度转台，调整脚螺栓使底座处于水平位置。
oo
4.4转工作平台：使0刻度线对准固定臂指针，再转动活动臂使其指针对准工作台的180线，用基座上的螺栓锁紧。调整收、发喇叭使其处在同一直线上。
5实验内容
5.1良导体表面对电磁波反射特性的测试
5.1.1把金属板放在支座上，应使用金属平面与支座下小圆盘上的某一对刻度线一致。而把带支座
o
的金属板放到小平台上，应使小圆盘上的这对与金属板面一致的刻线与平台上相应的90的一对刻度线
o
一致。这时小平台的0刻线与金属板法线方向一致。
5.1.2转动小平台，使固定臂的指针在某角度处，该角的读数就是入射角。然后转动活动臂，在表头找一最大指示，调可变衰减器使表头最大指示接近满刻度，此时活动臂上所指的刻度就是入射角。
o
注意：做此实验，入射角最好取30～65之间，因为入射角太大，接收喇叭有可能直接接收入射波。 5.2无损耗介质表面斜入射电磁波折射的测试
5.2.1换下金属板按上述方式把无损耗介质板(长玻璃板)置于测试位置，并调整介质板板面，使其处于和喇叭天线垂直的位置。
o
5.2.2转动收发转角90，使其产生水平极化波，记下入射波场强E?
5.2.3改变玻璃板转角，使收到的折射波场Eto=Eio从而得到斜入射时产生的全折射的入射角?p及折射角?，把测得的数据与计算值进行比较。
电磁场与波实验指导书 第2页
入射场(微安数) 入射角?i 反射角??? 反射场E?0 Ei0= 30 o35 o40 o45 o50 o55 o60 o65 o6实验报告要求 6.1列出实验数据表，并对数据进行分析。
6.2对比电磁波斜入射时良导体及良好介质表面的差别。
6.3实验中，入射波是平行极化波，若为垂直极化波能否产生全折射？为什么？
入射场强Ei0 测试值 计算值 ?p （? =反射场强E?0 折射场强Et0 ?1?2） sin?1??2 计算值 测试值 n?值（?=??） P2tt
执笔人：聂翔、贾建科、韩团军
电磁场与波实验指导书 第3页
实验二 电磁波参量的研究(验证实验 2学时)
1实验目的
1.1观察均匀平面波在自由空间的传播,了解电磁波的相干。
1.2测定自由空间电磁波长?0(即信号源工作波长)并确定相位常数k 。
2实验原理
? 平面电磁波于自由空间传播时是无衰减的等幅传播；且符合Vp=
S?E?H??;传播速度
1?o?o=3?10m/s；波阻抗Z0=
?o2??377?；相位常数k=??o?o;若在传播途中遇
?o?oo
到一介质板，则入射波在空气与介质分界面上会产生反射波与折射波。
如图2-1所示：当振荡器产生的入射波以入射角li=45方向投射到介质板上时，入射波分成两束波：一束反射到固定金属A板，另一束折射到可移动金属板B，当电磁波投射到良导体表面时产生全反射，所以两束波再次返回介质板中，略去二次以上反射及折射，于是接收喇叭收到频率相同、振荡方向一致的两束波，它们的行程相位差为: ??=k0(L1-L2)
当两波行程相位差为?的偶数倍时,两波同相: ??=k(L1-L2)=2n? 即干涉加强 当行程相位差为?的奇数倍时，两波反相: ??=k(L1-L2)=2(n+1)? 即干涉减弱
为实现干涉，可改变两路电磁波的行程相位差。为此，只要改变可动板B，即改变?L就可使两波的行程相位差改变，当它们向相时，干涉加强，表头指示最大，当它们反向时，干涉减弱，表头指示最小，
o
?两相邻最小点之间的距离即为电磁波的半波长，这就是利用等幅同频率两个相干波，改变其行程差
22?可以得到电磁波波长?。，n值越大，测试精度就较高。波长测出后，可由k=求得该电磁波的相位
?0
常数。
3实验仪器
同实验一，另加一块金属板和读数机构波长计。
4实验内容及方法
4.1同实验一，调整好收发系统。
o
4.2转动活动臂，使两个喇叭口面互成90，安于支座上的介质板放在小平台上，旋转小平台使介质
o
板板面与喇叭轴线互成45。
4.3将读数机构通过它本身带有的两个螺栓旋入底座上，使其固定在支座上，再插上反射板。使测定反射板的法线与接收喇叭轴线一致，可移反射板B的法线与发射喇叭一致。这时两反射板与介质板的
o
夹角均应为45。 电磁场与波实验指导书 第4页
4.4按实验一的方法：接通振荡器的电源。移动可动板B，使表头读数最大，调可变衰减器，使最大值接近于满刻度。
4.5将可移动反射板B移到读数机构一端，在此附近测出一个极小值位置，可适当微动金属板位置，使最小输出指示接近于零。
4.6摇动读数机构手柄，找出第一个零指示位置Lo，然后继续摇动手柄，使可移动反射板B在不同位置处，微安表读数由零→最大→零……。由L到Lo共(n+1)个零点。即相干波有(n+1)个波节点输出。同时在读数机构上读得相应的位移读数。则行程差为?L=Ln-Lo，因为每两相邻最小值之间为点之间有n个半波长，所以
?o，n+1
22(Ln?Lo) ?o?n 4.7用波长计测出信号源的工作(频率)波长。
4.8改变振荡源频率，重复步骤5进行测试，把测得的数据填入下表中。 波长表读数?o 波检波计零指示次 (n+1) 2?l自由空间波长?? n可移动板总位移 ?l?Ln?Lo 波的相位常数 k?2x??5.实验报告要求 5.1画出干涉电磁波场强与可移动反射板距离的关系曲线。
o
5.2改变介质板所放的位置(? =45)是否仍能得?，为什么？ 5.3比较工作波长?o和自由空间波长?之间的差异，分析原因。
执笔人：聂翔、贾建科、韩团军
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