PIERWSZA PRACOWNIA FIZYCZNA Ćwiczenie nr 64 BAANIE MIKROFAL opracowanie: Marcin ębski, I. Gorczyńska 1. Przediot zadania: fale elektroagnetyczne. 2. Cel zadania: badanie praw rządzących propagacją fali elektroagnetycznej. 3. Zagadnienia do przygotowania 3.1. Fale elektroagnetyczne Odpowiedzieć na pytania: - czy są fale elektroagnetyczne? - jakii wielkościai opisuje się fale elektroagnetyczne? - na czy polega zjawisko polaryzacji fal elektroagnetycznych i jakie ożna wyróżnić typy polaryzacji? Opisać wido fal elektroagnetycznych ze szczególny uwzględnienie ikrofal i ich zastosowań 3.2. Propagacja fal elektroagnetycznych Propagacja fal elektroagnetycznych w ośrodku jednorodny Prawo odbicia i załaania Fala stojąca: - czy jest fala stojąca? - wyprowadzenie wzoru opisującego falę stojącą yfrakcja i interferencja: - na czy polegają zjawiska dyfrakcji i interferencji? - podać wzory wiążące rozkład natężenia fali elektroagnetycznej w zjawisku dyfrakcji na pojedynczej szczelinie oraz interferencji w doświadczeniu Younga z długością fali. 4. Przyrządy: zasilacz nadajnika, nadajnik ikrofal, detektor z anteną tubową, sonda detekcyjna, wzacniacz akustyczny, oscyloskop lub/i woltoierz*, zestaw płyt wykonanych z izolatorów i przewodników, ława optyczna, przyiar liniowy. *decyduje opiekun zadania Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 1
5. Przebieg ćwiczenia 5.1. Przewodniki i izolatory w biegu wiązki fal elektroagnetycznych Zestawić układ zgodnie ze scheate Podłączyć nadajnik z zasilacze, a odbiornik ze wzacniacze akustyczny. o wzacniacza podłączyć oscyloskop lub/i woltoierz. Między nadajnik i odbiornik wstawiać kolejno płyty: etalową, etapleksową i rezokartową. Obserwować ziany sygnału. Wyniki zanotować. 5.2. Odbicie fal elektroagnetycznych Zestawić układ zgodnie ze scheate. Podłączyć nadajnik i odbiornik tak jak poprzednio. Obserwować sygnał odbity od przewodnika a następnie od izolatora. Zanotować wyniki obserwacji. 5.3. Polaryzacja fal elektroagnetycznych Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 2
Zestawić układ zgodnie ze scheate Poiędzy nadajnik a odbiornik wstawić obrotowy polaryzator. Obracając polaryzatore od 0 do 180, co 10 obserwować zianę sygnału. Wyniki obserwacji zanotować w postaci tabeli. Ustawić jedną płytę ze szczelinai iędzy odbiornikie a nadajnikie. Zieniając połażenie płyty o 90 obserwować zianę sygnału. Ustawić dwie płyty iędzy odbiornikie a nadajnikie. Płytę nr 1 ustawić tak, aby orientacja szczelin była pionowa. Obracając płytą nr 2 obserwować zianę sygnału. Następnie płytę nr 1 ustawić tak, aby orientacja szczelin była pozioa. Obracając płytą nr 2 obserwować zianę sygnału. 5.4. Poiar długości fali EM etodą fali stojącej Zestawić układ zgodnie ze scheate Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 3
Uieścić sondę detekcyjną na ławie optycznej tak, aby ogła się przesuwać wzdłuż osi nadajnika. W odległości ok. 1 od nadajnika ustawić płytę aluiniową. Przesuwając sondę ierzyć położenia, dla których obserwuje się aksiu sygnału. Przeprowadzić tyle poiarów położeń sondy aby ożna było obliczyć co najniej 10 odległości iędzy aksiai Δk. 5.5. Poiar długości fali EM poprzez poiar paraetrów obrazu dyfrakcyjnego a) na jednej szczelinie Zestawić układ zgodnie ze scheate y in a Zestawić dwie duże płyty aluiniowe tak, aby powstała iędzy nii szczelina iała szerokość a 1 =3c. Przesuwając sondę detekcyjną wzdłuż ławy optycznej zierzyć odległości X iędzy aksiu główny na osi układu a iniai kolejnych rzędów. Poiary wykonać z obu stron osi optycznej układu. Obliczyć długość fali λ Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 4
korzystając ze wzoru opisującego kątowe położenie kolejnych iniów ( in ) fali ugiętej na szczelinie o szerokości a: in sin, 1, 2, 3,... a sin in y in y 2 in 2 Poiary powtórzyć dla szczeliny o szerokości a 2 = 6c. b) na dwóch szczelinach Zestawić układ zgodnie ze scheate. y ax d Wykorzystując dwie duże płyty aluiniowe oraz jedną wąską (o szerokości 3c) zbudować układ dwóch szczelin tak, aby ich szerokość była równa 3c. Przesuwając sondę detekcyjną wzdłuż ławy optycznej zierzyć odległości X iędzy aksiu główny na osi układu a aksiai kolejnych rzędów. Poiary wykonać po obu stronach osi optycznej układu. Obliczyć długość fali λ korzystając ze wzoru opisującego położenie aksiów interferencyjnych (y ax ) kolejnych rzędów dla fali ugiętej na szczelinach, których środki są odległe od siebie o d: y, =0, 1, 2, d ax odległość ławy, po której jest przesuwana sonda od płyt aluiniowych. 6. Opracowanie wyników poiarów 5.1 i 5.2: sporządzić scheaty doświadczenia, opisać wyniki poiarów i podać wnioski. Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 5
5.3: wykonać scheaty przeprowadzonych doświadczeń. Przedstawić tabelę z wynikai poiarów dla polaryzatora obrotowego i sporządzić na jej podstawie wykres osłabienia rejestrowanego sygnału w zależności od kąta obrotu polaryzatora. W przypadku płyt ze szczelinai opisać wyniki doświadczenia oraz określić rodzaj polaryzacji fali i podać uzasadnienie. 5.4: obliczyć kolejne wartości Δk i. Na ich podstawie wyliczyć Δk ŚR i wyznaczyć błąd aksyalny wielkości Δk ŚR.. Ze wzoru λ ŚR =2 Δk ŚR obliczyć długość fali oraz wyznaczyć niepewność poiaru długości fali λ ŚR. 5.5: a. Obliczyć długości fal dla kolejnych iniów dyfrakcyjnych i niepewność ich wyznaczenia posługując się etodą pochodnej logaryticznej: a a y in 2 2 in 2 y in 2 in y y Obliczyć wartość średnią długości fali wartości średniej S. i średnie odchylenie standardowe b. Obliczyć długości fal dla kolejnych aksiów interferencyjnych i niepewność ich wyznaczenia posługując się etodą pochodnej logaryticznej: d y d y ax ax Obliczyć wartość średnią długości fali wartości średniej S. i średnie odchylenie standardowe Literatura -. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, t.3 i 4,PWN, Warszawa 2009, - R. Resnik,. Halliday, Fizyka, t. 2, PWN, Warszawa, 1996, - R. P. Feynann Feynanna wykłady z fizyki, t.1 cz.2, PWN, Warszawa, 2001, - S. Szczeniowski, Pracownia Fizyczna, PWN, Warszawa Pierwsza Pracownia Fizyczna, Ćw. nr 64, Badanie ikrofal 6