A kísérlet célkitűzései: Az elektromágneses hullámok tulajdonságainak vizsgálata Diákradar készülékkel. Eszközszükséglet: TZA 1996 Diákradar készlet vonalzó Eszközismertető Kísérletünkhöz a Diákradar készüléket fogjuk használni. A készülék két fő részből áll, az adóból és a vevőből. 1. ábra Diákradar vevő készüléke 2. ábra Diákradar adó készüléke A TZA 1996 típusú diákradar adója 3 cm-es hullámhosszú, 10,3 GHz frekvenciájú mikrohullámokat sugároz. Ezek a hullámok Horn-típusú tölcsérantennán keresztül hagyják el a készüléket. A diákradar maximális átlagos teljesítménysűrűsége az antenna nyílásában 0,074 mv/cm 2. Az antenna sugárzási szöge 30 fok. Ez azt jelenti, hogy a sugárzási iránytól mért 15 fokos szögnél csökken a kisugárzott teljesítmény a felére. Az adó a mikrohullámokat egy ún. Gunn-dióda segítségével hozza létre, s egy téglalap keresztmetszetű tölcséren át sugározza ki. A hullámok a dióda hossztengelyével párhuzamosan polarizáltak. A vevőantenna méretében teljesen azonos az adóantennával. Az antenna az 1000 Hz-es modulált jelet felfogja és demodulálja, négyszögjellé alakítja. Ez a jel erősítés után jól hallható a hangszórón. 1. oldal
Balesetvédelmi figyelmeztetés A kisugárzott mikrohullámú energia nem ártalmas az emberi szervezetre, de 1 m távolságon belülről közvetlenül ne nézzünk az adó antennájába! A kísérlet menete 1. feladat Az antenna sugárzási karakterisztikája Helyezd a diákradart alapállapotba egymástól kb. 3 méterre és kapcsold be az adót majd a vevőt! Ha a két antenna tengelye egy egyenesbe esik, akkor a hangszóró sípol. Állítsd be azt a helyzetet, amikor a hangszóró a leghangosabb! Forgasd el az adót vízszintes síkban! Mit tapasztalsz?... Állítsd vissza alaphelyzetbe az adó antennáját! Most a vevőantennát forgasd el, először vízszintes síkban, majd függőleges síkban! Mit tapasztalsz?... 2. feladat Az adó és vevő polarizációs karakterisztikája Állítsd az antennákat alaphelyzetbe! Óvatosan forgasd el a vevőantennát a tengelye körül! Mit tapasztalsz?... 3. feladat Sugárzás vizsgálata polárszűrővel Radarhullámok esetén polárszűrőként fémrudakból álló fésűt használunk. Állítsd az antennákat alaphelyzetbe, és tedd be a szűrőt az antennák közé (3. ábra)! Lassan fordítsd el a függőleges síkú szűrőt úgy, hogy most a fésű fogai vízszintesek legyenek! Mit tapasztalsz?... 2. oldal
4. feladat Visszaverődés 3. ábra Kísérlet polárszűrővel. Helyezd a két antennát egymás mellé, majd helyezd el a visszaverő fém lapot úgy, hogy annak síkja merőleges legyen az antennák tengelyére! Kapcsold be a készülékeket! Mit tapasztalsz? Mi ennek a magyarázata?... 5. feladat 4. ábra Visszaverődés fém lapról 5. ábra Visszaverődés törvénye 3. oldal
Állítsd össze a 4. ábrán látható elrendezést! Változtasd az α beesési és ß visszaverődési szögek nagyságát! Mit tapasztalsz?... 6. feladat A hullámelnyelő lap Állítsd egymással szembe a két antennát és a bekapcsolás után helyezd be közéjük a hullámelnyelő lapot! Mit tapasztalsz?............ 6. ábra Hullámelnyelő lap... Állítsd össze a 6. ábrán látható elrendezést. Hogyan verődik vissza a hullámelnyelő lapról a mikrohullám?... Az előző két kísérletből arra következtethetünk, hogy a lap elnyeli a mikrohullámokat, mert azokat nem... 7. feladat Hullámok fókuszálása Jól ismert tény, hogy négyévente egy homorú tükör segítségével gyújtják meg az olimpiai lángot. Ennek az a magyarázata, hogy a tükör a rá eső párhuzamos fénysugarakat egy pontba gyűjti össze. De hasonló elven működnek a parabola antennák is. 4. oldal
Mérd meg, hogy a készletben szereplő gömbtükörnek mekkora a fókuszpontja! Helyezd el az adó tengelyére merőlegesen a gömbtükröt! Változtasd a vevő helyzetét a tükör előtt, keresd meg azt a helyzetet, amikor leghangosabb a sípoló hang! Ebben a helyzetben mérd le, hogy mekkora a vevő ( a benne lévő Schottky-dióda) és az antenna távolsága! 7. ábra Fókusztávolság mérése 8. feladat Radarhullámok törése A készletben található bitumenből készült prizma hasonlóan viselkedik, mint a fénytannál megismert üvegprizma. A prizmán áthaladó hullámok kétszeri törés után hagyják el a prizmákat. Számítsd ki, hogy mekkora a teljes visszaverődés határszöge, ha a bitumen törésmutatója radarhullámok esetén 1,6! Hogyan haladnak tovább a hullámok? Keresd meg a vevővel, hol lépnek ki a hullámok a prizmából! Rajzold be a sugármeneteket a 8. ábrába! 5. oldal
9. feladat Radarhullámok interferenciája 8. ábra Helyezd az adót és a vevőt egymás mellé, tengelyük legyen párhuzamos! Velük szembe helyezd el a két sarokreflektort! ( A sarokreflektor három egymásra merőleges fémlapból álló eszköz, amely a radarhullámokat önmagukba veri vissza. Működési elve a kerékpáron lévő macskaszemhez hasonlít.) Ha megfelelően helyezted el a két reflektort, akkor a vevő mindkét reflektorról visszaverődő jelet egyszerre érzékeli. Az egyik reflektort lassan told az antennák felé! Mit tapasztalsz?... 6. oldal
9. ábra Interferencia A jelenség magyarázata az interferencia jelensége. Ha az egyik reflektort eltolom, akkor az adóba beérkező két nyaláb útkülönbsége változik, ezek erősíthetik, ill. gyengíthetik egymást. Erősítés akkor tapasztalható, ha az útkülönbség a fél hullámhossznak páros számú többszöröse: s = λ 2k, ahol k = 0,1,2, 2 Állíts be egy olyan helyzetet, amikor erősítés tapasztalható (hangosan sípol a vevő)! Lassan told az egyik reflektort a vevő felé addig, amíg megint újra erősítést nem tapasztalsz! Ekkor az útkülönbséget éppen egy hullámhosszal változtattad meg. Ha a reflektort x távolsággal toltad el, akkor a vevőbe érkező két nyaláb útkülönbsége 2x-szel változik. Ebből adódik, hogy: 2x = λ. Mérd meg a radarhullám hullámhosszát! Told el a sarokreflektort az antennák felé és mérd meg 10 egymás melletti erősítési hely y távolságát: 2y = 10 λ λ = 2y 10. Végezd el a mérést háromszor! Töltsd ki az 1. táblázatot! y (m) λ (m) 1. táblázat Mekkora a hullámhosszak átlaga? λ átlag = 7. oldal
10. feladat Állóhullámok Kísérletek mikrohullámokkal I-II. Állóhullám akkor jön létre, ha egymással szemben haladó megegyező frekvenciájú és amplitúdójú hullámok találkoznak. Állítsd az adóval szembe a fém visszaverő lapot! Vedd le a vevőről a tölcsér antennát, mert így egy sokkal érzékenyebb keresőeszközt kapsz! Lassan mozgasd a detektort, a fémlaptól az adó felé! Mit tapasztalsz?... Mivel két egymás melletti maximális erősítési hely (vagy csomópont) távolsága a hullámhossz fele, ezért itt is meg tudod mérni a radarhullám hullámhosszát! Mérd meg, hogy mennyivel kell arrébb tolnod (z) a detektort, hogy 10 újabb erősítési helyet találj! z = 10 λ 2 λ = z 5. A mérésedet végezd el háromszor, eredményeidet rögzítsd a 2. táblázatba! z (m) λ (m) 2. táblázat Mekkora a hullámhosszak átlaga? λ átlag = 8. oldal
11. feladat Radarhullámok elhajlása Helyezd egymással szembe kb. 2 m távolságra az adót és a vevőt! Tedd közéjük a 10. ábrán látható réslemezt! Mozgasd a vevőt a rés mögött egy körív mentén! Mit tapasztalsz?......... 10. ábra Réslemez Az ismeretek ellenőrzése: 1. Írd le a visszaverődés törvényét! 2. Írj példát mechanikai és elektromágneses hullámokra! 3. Hogy szól a törés törvénye? 4. Mikor jöhet létre teljes visszaverődés? 5. Mi az elhajlás jelensége? Felhasznált szakirodalom: Fizikai kísérletek gyűjteménye, Szerkesztette: Juhász András, TYPOTEX Kiadó, Budapest, 1995 9. oldal