技术领域
[0001] 本
发明涉及一种代表圆极化电磁波的机械装置，属于电磁波教具技术领域。
背景技术
[0002] 电磁波是由同相振荡且互相垂直的
电场与
磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场。电磁波在
真空中速率固定，速度为光速。电磁波极化是指电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波(简称极化波)。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的(横)平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。当电磁波的极化面与大地法线面之间的夹
角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。
[0003] 由于电磁波的非
可视化，以及矢量的三维空间和时间(
时空)的数学表达较为抽象，因此，在教学过程中，学生对电磁波的极化和传播存在着一定的理解难度。为了将圆极化电磁波的电场矢量末端的轨迹在时空上进行形象化表达，促进学生对此抽象、非可视化内容的理解，发明一套可视化、可参与操作的机械装置展现该轨迹。
发明内容
[0004] 本发明的目的是克服现有电磁波教学教具技术领域中存在教具匮乏、教具抽象以及不够直观的技术问题，提出了一种代表圆极化电磁波的机械装置。
[0005] 核心思想为：利用机械装置将圆极化电磁波的电场矢量末端轨迹可视化；本机械装置基于如下原理：
[0006] 当
无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化；
[0007] 电场矢量的两个分量分别为(1)公式所示：
[0008]
[0009] 其中，Ex和Ey是电场矢量圆极化的两个幅值，φx和φy分别是Ex和Ey的
相位；Ex和Ey的幅值分别与Exm和Eym相同，且Exm＝Eym；Ex和Ey的
相位差是φx-φy＝90°；
[0010] 其中，电场的两个分量Ex和Ey合成矢量的幅值等于Exm，但合成矢量的方向不停变化，矢量轨迹为一个圆，因此成为圆极化电磁波；上述表达式(1)中，k的值表达为(2)：
[0011]
[0012] 其中，c为光速；μ0为真空磁导率其值为4π×10^(-7)N/A^2；ε0为真空
介电常数，其值为8.854187817×10^-12F/m；
[0013] 本机械装置主要包括大小适中的圆柱体金属滚轮、带
配重的木质长方体底座、F型
铝制
支撑杆、木质圆盘、带
指针的L型件和有效杆长可变彩笔；
[0015] 滚轮连接带配重的底座，底座连接F型支撑杆；F型支撑杆连接圆盘和T型件；指针连接圆盘；
[0016] 本机械装置中各模块的功能如下：
[0017] 滚轮提供对整个装置的支撑，并可以带动模型向前运动，底座用于保持平衡，并支撑
连杆，圆盘和指针；指针能够在圆盘上围绕圆盘中心转动；有效杆长可变彩笔被用于连接指针，可画出指针末端轨迹在任意方向的投影；
[0018] 本机械装置中各模块的工作设置如下：
[0019] 在滚轮带动整个模型前进的同时，若模型车的前进方向代表时间流逝方向，指针的长度代表电场的大小，指针的方向代表电场的方向，指针便代表电场矢量，指针转动代表电场矢量的转动；
[0020] 本机械装置的工作过程如下：
[0021] 步骤1)指针的一端被固定在圆盘的中心，另外一端沿圆周转动，其中，
角速度为ω0；
[0022] 具体为：指针在圆盘上以右旋方式均匀转动；
[0023] 假设本机械装置向前运动的速度为光速c，指针的转动快慢便代表了电场矢量的转动快慢；设指针转动的角速度为ω，则电磁波的周期T可以表达为公式(3)：
[0024] T＝2π/ω (3)
[0025] 电磁波的
波长D可以表示为公式(4)：
[0026] D＝c·T (4)
[0027] 其中，c为光速，与公式(2)中的c相同；
[0028] 从T＝0
位置开始计时，指针在竖直和垂直方向上的投影分别为电场在竖直和
水平方向上的分量，分别可表示为公式(5)：
[0029]
[0030] 其中，Em是电场的幅度值，且电场在竖直和水平方向上均按照三角函数变化；
[0031] 模型中彩笔绘制出的Z-Y平面的轨迹即为Ey＝Emsin wt；
[0032] 步骤2)有效杆长可变彩笔的凹型卡槽连接到指针沿圆周转动的凸型突起端口上；
[0033] 步骤3)将T型件与有效杆长可变彩笔的非彩笔头一端连接，使得有效杆长可变彩笔在T型件上可滑动；
[0034] 步骤4)有效杆长可变彩笔的彩笔头一端画出在平面上的投影轨迹。
[0035] 有益效果
[0036] 本发明提出了一种代表圆极化电磁波的机械装置，与现有电磁波传输教具相比，具有如下有益效果：
[0037] 1.本发明所提装置结构精巧，操作简单，成本可控，直观可视，能够动态演示圆极化电磁波矢量在时间流逝中的轨迹，使学生直观的理解圆极化电磁波，具有明显优势；
[0038] 2.本发明所提装置在电磁波科普教学、圆极化电磁波演示等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
[0039] 图1是本发明一种代表圆极化电磁波的机械装置的基本组成及连接
框图，其中指针角度为0；
[0040] 图2是本发明一种代表圆极化电磁波的机械装置中指针角度为π/2时的示意框图，以及投影轨迹说明；
[0041] 图3是本发明一种代表圆极化电磁波的机械装置前进(前进方向为时间流逝方向)以及指针转动(角速度为ω)形成的投影轨迹说明，其中指针角度已经转动回至0。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图及
实施例对本发明所提方法进行详细说明。
[0043] 实施例1
[0044] 本实施例叙述本发明一种代表圆极化电磁波的机械装置的原理与组成。当无线电波的极化面与大地法线面之间的夹角从0～360°周期的变化，即电场大小不变，方向随时间变化，电场矢量末端的轨迹在垂直于传播方向的平面上投影是一个圆时，称为圆极化。电场矢量的两个分量分别为(1)公式所示：
[0045]
[0046] 其中，圆极化的两者Ex和Ey幅值Exm和Eym相同，但是具有相位差(φx-φy)＝90°，电场的两个分量的合成矢量，具有幅值Exm；但方向不停变化，轨迹为一个圆，因此成为圆极化电磁波传播；上述表达式(1)中，k的值为：
[0047]
[0048] 其中，c为光速；
[0049] 模型由滚轮，带配重的底座，支撑杆(F型)，圆盘，指针和有效杆长可变彩笔组成；在滚轮带动整个模型前进的同时，指针在圆盘上以右旋方式均匀转动；若模型车的前进方向代表时间流逝方向，指针的长度代表电场的大小，指针的方向代表电场的方向，指针便代表电场矢量，指针转动代表电场矢量的转动；
[0050] 模型车向前运动的速度为光速C，指针的转动快慢便代表了电场的变化快慢。设指针的角速度为ω，则电磁波的周期为：
[0051] T＝2π/ω
[0052] 电磁波的波长为：
[0053] D＝c·T
[0054] 其中，c为光速。
[0055] 从图示Z＝0位置开始计时，指针在竖直和垂直方向上的投影分别为电场在竖直和水平方向上的分量，分别可表示为：
[0056] Ex＝Emcoswt
[0057] Ey＝Emsinwt
[0058] ω为指针转动的角速度，Em是电场的幅值。可以看出，电场在竖直和水平方向上均按照三角函数变化。
[0059] 模型中彩笔绘制出的Z-Y平面的轨迹即为Ey＝Emsin wt。
[0060] 实施例2
[0061] 在小范围演示下，使用自由运动的机械小车展示电磁波圆极化传输的电场矢量的变化情况，采用如上所述的材料。
[0062] 在大范围演示下，使用滑轨替代滚轮，使用颜料笔代替彩笔，来展示电磁波圆极化传输时的电场矢量的变化情况。
[0063] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或
修改，都落入本发明保护的范围。
