文档介绍：北航基础物理实验研究性报告
微波实验和布拉格衍射的改进
第一作者:XXX
第二作者:XXX
摘要
微波实验和布拉格衍射的实验,验证了布拉格公式,测定了晶格常数和微波波长。由于实验的误差比较大,所以对实验的仪器和条件进行了一系列的改进,对误差的来源进行了更细致的分析,可以得到更加准确的结果。
一、实验背景
微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波,是一种无线电波,即波长在1mm——1m的电磁波。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波与普通的电磁波一样,也存在反射,折射,衍射和偏振等现象。因为微波的波长比普通的电磁波要短得多,又比X射线和光波长得多,所以可以用微波来仿真“晶格”衍射,“晶格”可以放大到宏观尺度,这样就方便了我们进行实验。本实验用一束波长3cm的微波代替X射线,观察微波照射到人工制作的晶体模型时的衍射现象,模拟发生在真实晶体上的布拉格衍射,验证布拉格公式。通过实验,人们对晶格衍射有直观的物理图像,了解三维衍射的特点和研究方法,学习有关微波器件和微波技术的知识,同时通过微波单缝衍射和迈克尔逊干涉实验,加深对场和波动概念的认识。但由于实验仪器的限制,实验有存在着较大的误差,所以,我们可以想些方法尽可能的减小实验的误差。
二、实验的改进
布拉格衍射实验
1、实验原理
晶体对电磁波的衍射是三维衍射,分为点间干涉和面间干涉。
点间干涉:二维点阵衍射的主极大方向,应该符合沿此方向所有的衍射线间无程差。
面间干涉:相距为d的两晶面反射的波程差2dsinθ=2dcosβ,β为入射角,只有满足2dcosβ=kλ,k=1,2,3。才能形成干涉极大。因此
a=dn12+n22+n32
2、实验改进
(1)微波分光仪机构改进
针对布拉格衍射的公式验证实验,在实验中,需要转动载物台和接收臂,使实验的效率较低,操作性差,需要两人协助完成(一个人转动载物台,另一个人转动接收臂,观察电表,进行读数)如图-1。.所以设想将微波分光仪装置进行改进,只转动接收臂,带动发射臂转动,接收臂转动多少度就带动发射臂转动多少度,使入射角和出射角始终保持相同,模型不动。为提高实验的效率以及精确度可对微波分光仪进行如下改进(如图-2):
接收臂
发射臂
载物台
图-1 改进前的微波分光仪装置简图
附加装置
接收臂
发射臂
载物台
图-2 改进后的微波分光仪装置简图
通过一个附加的类似于雨伞结构的的装置,可以保证接收臂在转动的同时带动发射臂转动相同的角度,而无需转动载物台,从而达到入射角和出射角相同的目的。这样就可以一边转动发射臂,一边进行读数,找到使电流表读数最大的位置,提高了实验的效率和精确度。
(2)微波分光仪读数装置的改进
由于分光仪指针读数时存在着比较大的误差,很难准确定位示数最大的点。所以,用电子读数系统代替指针读数,可以大大提高实验的准确性。
(3)在验证布拉格衍射公式的实验中用图-4的结构来代替图-3的晶体的晶格结构,
图-3
图-4
存在的问题:
由于实体结构本身的精度限制,对实验的准确性会造成一定能够的误差。每个“原子”位置并不是很精确,高低,左右都存在着误差,而且随环境条件的变化会有些变形等等,会造成比较大的误差。
固定在支座上也会出现一些角度的偏差,没有使所需要的(1 0 0或(1 1 0)面的法线与0刻度线重合(如图-3)
图-5
改进的方案:
将模型的底座安装在穿过圆珠的尼龙线穿过的面,就可以克服中部的圆珠由于重力下坠产生的误差(如图-6)。
改装前
图-6 改装后
可以用密度较小的圆珠代替现有的圆珠以减小误差。
用抗变形能力强的材料来代替木质框架结构,这样可以尽可能的使晶格结构更加精密。
微波的迈克尔逊干涉实验
1,实验原理
原理如图-7,由于两板的反射作用两列波经分束板合并发生干涉,通过B板的移动,喇叭接受的信号从一次极小到另一次极小时,B移动的距离为λ\2,测量B的距离可求出微波波长。
图-7
二,实验改进
1、由于A,B两板固定在仪器上时是用肉眼观测其是否垂直,这样就会产生比较大的误差,所以可以对A,B两板的固定方式进行改进,使两板的固定位置更准确。改进方式如下:
将A,B两板固定于如图示的导槽A,B两个位置,由于导槽是相互严格垂直的,这样就保证了A,B的相互垂直,再将导槽固定在载物台上,调整导槽到合适位置,这样A板就固定在导槽上,B板可以沿着其法线方向前后移动,就达到了实验的要求,而且降低了实验的误差。(如图-8)
A
B
图-8
2、读数装置改进
实验中,要求准确找到极大值或极小值的位置,现有的实