[实用新型]一种代表圆极化电磁波的机械装置

说明书

本实用新型涉及一种代表圆极化电磁波的机械装置，属于电磁波教学技术领域。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；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；工作过程为：1)指针的一端被固定在圆盘的中心，另外一端沿圆周转动；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；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；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。本实用新型所提装置结构精巧、操作简单、成本可控且直观可视。

技术领域

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

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。

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

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。

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：

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：

其中，E_x和E_y是电场矢量圆极化的两个幅值，φ_x和φ_y分别是E_x和E_y的相位；E_x和E_y的幅值分别与E_xm和E_ym相同，且E_xm＝E_ym；E_x和E_y的相位差是φ_x-φ_y＝90°；

其中，电场的两个分量E_x和E_y合成矢量的幅值等于E_xm，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)：

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；

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；