《电磁场》课程教学大纲定稿.doc

电磁场课程教学大纲课程英文名称：Electromagnetic Fields and Electromagnetic Waves课程代码：081200112 课程性质：学科基础课 适用专业：电气工程及其自动化总学时数： 30 其中讲课学时：30实验学时： 0总学分数：2编写人： 马文跃 审核人：黄卫平一、课程简介（一）课程性质及其在课程体系中的地位电磁场与电磁波是电气、电力专业的理论基础，是电气、电力专业本科学生的知识结构中重要组成部分。本课程使学生掌握电磁场的有关定理、定律、麦克斯韦方程等的物理意义及数学表达式。使学生熟悉一些重要的电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏方程等）的建立过程以及分析方法。培养学生正确的思维方法和分析问题的能力，使学生学会用场的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题。为后续课程打下坚实的理论基础。一切电现象，都会产生电磁场。因此，在各国的理工科大学中，电磁场都是电气、电力等专业的专业基础课，课程理论性、系统性很强，逻辑严谨，学习它不仅可以获得场和波的理论，而且有助于培养正确的思维方法和分析问题的能力。“电磁场”还是多种学科的交叉点，它不仅是强电、弱电、电磁兼容的理论基础，而且各种现代通信方式以及电视、雷达等各种专门学科，都是以电磁波携带信息的方式来实现的。电工技术中的一些共同性的电磁现象和电磁过程，都能应用场的观点进行分析和计算。广泛应用的超小超薄的大规模集成电路更是充满了电磁场的问题。由于“电磁场”是众多学科的理论基础，从而成为相关专业课程建设的一个非常重要的环节。 （二）课程教学目标（学生通过该课程的学习，在知识、能力、素质、技能等方面应达到的目标）（1）内容方面，应使学生牢固掌握矢量运算，梯度、散度和旋度概念，高斯公式和斯托克司公式；掌握恒定和时变电磁场的麦克斯韦方程组、泊松方程、电磁波的波动方程等；掌握分离变量法、镜像法、有界空间中电磁波的求解方法等；理解电磁场的矢势¦和标势、规范变换、规范不变性、库仑规范、洛仑兹规范、时变平面电磁波、推迟势、电磁辐射、截止频率和谐振频率等概念。（2）能力方面，应使学生学会和掌握如何通过数学方法求解一些基本和实际问题，对结果给予物理解释的科学研究方法；使学生在运算能力和抽象思维能力方面受到初步而又严格的训练；培养学生解决和研究问题的能力，培养学生严谨的科学学风。（3）方法方面，着重物理概念、基本规律和基本问题的解释和阐述，注意本课程与大学物理电磁学的衔接，以及与后继课程联系，注重解决常见基本问题和实际问题。在帮助学生打下坚实基础的前提下，坚持教学内容与现代科学技术接轨，使现代科学技术的成果渗透到本课程内容之中，提高学生的兴趣，拓宽学生的知识面。 通过本课程的学习，使学生牢固掌握电磁场与电磁波方面的基本概念、基本理论及主要分析方法，具有基本的电磁问题解题能力，对天线理论也要有一定的了解。为以后现代通信技术的学习与应用打下良好的基础。（三）课程教学的总体要求通过本课程的学习，使学生牢固掌握电磁场与电磁波方面的基本概念、基本理论及主要分析方法，具有基本的电磁问题解题能力，对天线理论也要有一定的了解。为以后现代通信技术的学习与应用打下良好的基础。（四）课程基本内容概述本课程包括电磁场与电磁波两大部分。电磁场部分是在电磁学课程的基础上，运用矢量分析的方法，描述静电场和恒定磁场的基本物理概念，在总结基本实验定律的基础上给出电磁场的基本规律，研究静态场的解题方法。电磁波部分主要是介绍有关电磁波在各种介质中的传播规律及天线的基本理论，（五）先修课程及后续课程先修课程：大学物理、高等数学与工程数学(包括矢量分析,场论和数理方程等)二、课程教学总体安排（一）学时分配建议表学时分配建议表课 程 内 容教 学 环 节讲 课习题课实 验设 计第一章 矢量分析 4第二章静电场 6第三章 恒定电流的电场和磁场 6第四章 静态场的解 4第五章 时变电磁场 6第六章 平面电磁波 4总计（学时）30（二）推荐教材及参考书目（按照编者、书名、出版社、出版日期顺序列出）1、教材王家礼 朱满座 西安电子科技大学出版社 2009参考书目焦其祥. . 北京：科学出版社, 2004焦其祥.习题精解 . 北京：科学出版社, 2004毕德显. . 北京：电子工业出版社 . 1985焦其祥 , 王道东 . 北京：北京邮电学院出版社 1994.柯林 . 侯元庆译 . . 上海：上海科技出版社. 1966孔金瓯 .吴季等译 . . 北京：电子工业出版社 .2003斯特莱顿. 何国谕译 . . 北京：北京航空学院出版社 .1986郑钧. 赵姚同 , 黎滨洪译 . . 上海：上海交通大学出版社.1984 谢处方 , 饶克谨.( 第四版 ). 北京：高等教育出版社.2006（三）课程考核方式1、考核方式 考查2、成绩构成 识记（占15%） 理解（占25%）简单应用（占35%） 综合应用（占25%）平时成绩占30% 考试成绩占70%3、 课程教学内容及基本要求 第一章 矢量分析（ 4 学时）1、教学目标理解标量场与矢量场的概念，了解标量场的等值面和矢量场的矢量线的概念。矢量场的散度和旋度、标量场的梯度是矢量分析中最基本的重要概念，应深刻理解，掌握散度、旋度和梯度的计算公式和方法。散度定理和斯托克斯定理是矢量分析中的两个重要定理，应熟练掌握和应用。理解亥姆霍兹定理的重要意义。 2、教学重点与难点（1）教学重点矢量场的散度和旋度、标量场的梯度。（2）教学难点矢量场的散度和旋度、标量场的梯度。3、教学方法与手段理论讲解与习题讲解相结合。4、教学主要内容（1） 场的概念矢性函数 标量场 矢量场 标量场的等值面 矢量场的等值线（2） 散度、旋度、梯度标量场的方向导数 标量场的梯度 矢量场的通量和散度 高斯散度定理 矢量场的环量和旋度 斯托克斯定理（3） 亥姆霍兹定理（4） 坐标系及其转换关系（5） 矢量运算恒等式研究电磁场的一条主线。5、教学要求重点掌握 矢量场的散度和旋度、标量场的梯度掌握 三种常用的正交坐标系 斯托克斯定理了解 亥姆霍兹定理6、课后思考与练习课本习题1.1、1.4、1.11、1.12、第二章 静电场 （ 6 学时）1、教学目标本章介绍了电磁场的基本规律，主要内容有：电荷与电荷分布，电流与电流密度，电流连续性方程；电场强度，库仑定律，磁感应强度，安培力定律；电场强度的矢量积分公式，磁感应强度的矢量积分公式。通过本章的学习，要求学生理解电荷与电荷密度、电流与电流密度的概念，理解并掌握电流连续性方程。理解并掌握、安培力定律。会计算一些典型电荷分布的电场强度与一些典型 2、教学重点与难点（1）教学重点库仑定理 电场强度 高斯定理 静电场的旋度 静电场的电位 (2)教学难点库仑定理 电场强度 高斯定理 静电场的旋度 静电场的电位3、教学方法与手段理论讲解、例题讲解和自学相结合。着重把数学表达式中的含义讲解清楚，使学生更容易掌握和记忆公式。通过公式的推导让学生掌握公式表达的含义，以及概念之间的相互关系。4、教学主要内容 （1） 静电场的基本方程库仑定理 电场强度 高斯定理 静电场的旋度 静电场的电位 电偶极子 电介质的极化 极化介质产生的电位 介质中的场方程 介电常数（2） 静电场的边界条件（3） 导体系统的电容电位系数 电容系数和部分电容（4） 电场能量电场能量 能量密度（5）电场力5、教学要求重点掌握 库仑定理 电场强度 高斯定理 静电场的旋度 静电场的电位掌握 电介质的极化 电场能量 电场力了解 静电场的边界条件 导体系统的电容6、课后思考与练习课本习题2.1、2.3、2.5、2.6、2.10、2.11、2.14第三章 恒定电流的电场和磁场（ 6 学时） 1、教学目标本章介绍了电流场、磁场的基本规律，主要内容电流与电流密度，电流连续性方程；电场强度，磁感应强度，安培力定律；电场强度的矢量积分公式，磁感应强度的矢量积分公式。通过本章的学习，要求学生理解电流与电流密度的概念，理解并掌握电流连续性方程。理解并掌握、安培力定律。会计算一些典型电荷分布的磁场强度与一些典型习题。 2、教学重点与难点（1）教学重点电流与电流密度，电流连续性方程；电场强度，磁感应强度，安培力定律； (2)教学难点电流连续性方程；电场强度，磁感应强度，安培力定律；3、教学方法与手段理论讲解、例题讲解和自学相结合。着重把数学表达式中的含义讲解清楚，使学生更容易掌握和记忆公式。通过公式的推导让学生掌握公式表达的含义，以及概念之间的相互关系。4、教学主要内容（1） 恒定电流的电场电流密度 电荷守恒定律 欧姆定律的微分形式 焦耳定律 恒定电流场的基本方程 恒定电流场的边界条件（2） 恒定磁场的基本方程磁感应强度 磁通连续性原理 安培环路定律 磁偶极子 磁化强度 磁化电流 磁场强度 磁导率 恒定磁场的基本方程（3） 矢量磁位矢量磁位 库仑规范（4） 标量磁位（5） 磁场能量磁场能量 磁场能量密度（6） 磁场力5、教学要求重点掌握 电流与电流密度，电流连续性方程；电场强度，磁感应强度，安培力定律；掌握 磁偶极子 磁化强度 磁化电流 磁场强度 磁导率 恒定 磁场的基本方程 磁场能量了解 标量磁位6、课后思考与练习课本习题3.1、3.3、3.5、3.6、3.10、3.14第四章 静态场的解 （ 4 学时）教学目标掌握静电场的基本方程，掌握电位所满足的微分方程(泊松方程和拉普拉斯方程)，以及电场强度，电位移和电位在不同媒质分界面上的衔接条件，能列出简单场的边值问题,并能掌握一维边值问题的求解方法。理解边值问题解答的唯一性。掌握镜像法,能计算简单的场问题。了解电容的计算原则,了解多导体系统的部分电容的概念。了解电场能量及能量密度的概念,掌握电场能量及能量密度的计算方法。了解广义力和广义坐标的概念,会应用虚位移法求电场力。了解分离变量法.能初步应用差分法来解决简单的平行平面电场问题。2、教学重点与难点（1）教学重点电位所满足的微分方程(泊松方程和拉普拉斯方程)，以及电场强度，电位移和电位在不同媒质分界面上的衔接条件，能列出简单场的边值问题,并能掌握一维边值问题的求解方法。 (2)教学难点电位所满足的微分方程(泊松方程和拉普拉斯方程)，以及电场强度，电位移和电位在不同媒质分界面上的衔接条件，能列出简单场的边值问题,并能掌握一维边值问题的求解方法。3、教学方法与手段理论讲解、例题讲解和自学相结合。着重把数学表达式中的含义讲解清楚，使学生更容易掌握和记忆公式。通过公式的推导让学生掌握公式表达的含义，以及概念之间的相互关系。4、教学主要内容 （1） 边值问题的分类 唯一性定理（2） 镜象法平面镜象法 球面镜象法 圆柱面镜象法（3） 分离变量法直角坐标系中的分离变量法 圆柱坐标系中的分离变量法 球坐标系中的分离变量法（4） 有限差分法5、教学要求重点掌握 边值问题的分类 唯一性定理掌握 分离变量法了解 镜象法6、课后思考与练习课本习题4.1、4.3、4.5、第五章 时变电磁场 （6 学时）1、教学目标理解电磁感应定律,理解时变条件下的电流连续方程,掌握麦克斯韦方程组及其物理意义,理解坡印廷矢量的含义,会应用坡印廷定律分析电磁能传输问题,理解动态位与场量间的关系,了解洛仑兹条件。2、教学重点与难点（1）教学重点位移电流，时变电磁场，电磁能量守恒定理 麦克斯韦方程组 (2)教学难点位移电流，时变电磁场，3、教学方法与手段理论讲解、例题讲解和自学相结合。着重把数学表达式中的含义讲解清楚，使学生更容易掌握和记忆公式。通过公式的推导让学生掌握公式表达的含义，以及概念之间的相互关系。4、教学主要内容（1） 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律 感生电动势 动生电动势 法拉第电磁感应定律的微分形式（2） 位移电流位移电流 全电流定律（3） 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 麦克斯韦方程组的辅助方程本构关系 洛仑兹力（4）时变电磁场的边界条件一般情况下时变电磁场的边界条件 理想介质的边界条件 理想导体的边界条件（5） 时变电磁场的能量与能流坡印廷矢量 坡印廷定理（6） 正弦电磁场 正弦电磁场的复数表示法 麦克斯韦方程的复数形式 复坡印廷矢量 复介电常 数 复磁导率 复坡印廷定理（7） 波动方程（8） 时变电磁场中的位函数时变电磁场中的位函数 洛仑兹规范 达朗贝尔方程5、教学要求重点掌握 位移电流，时变电磁场，电磁能量守恒定理 麦克斯韦方程组掌握 法拉第电磁感应定律 感生电动势 动生电动势 法拉第电磁感应定律的微分形式 时变电磁场的能量与能流了解 时变电磁场的能量与能流 波动方程6、课后思考与练习课本习题5.1、5.3、5.5、5.7。第六章平面电磁波 (4课时)1、教学目标掌握时谐平面电磁波在理想介质和导电媒质中的传播规律,理解波阻抗,传播常数,相速,波长的含义。了解时谐平面电磁波垂直入射到两种不同媒质分界面上时的反射和折射规律。理解集肤效应和透入深度的概念。2、教学重点与难点（1）教学重点理想介质中的均匀平面电磁波，电磁波的能量和能流；电磁波的极化特性；相速与群速；损耗媒质中的均匀平面电磁波； (2)教学难点理想介质中的均匀平面电磁波