《电磁场与电磁波》教学大纲.doc

电磁场与微波教 学 大 纲（2014年9月修订）三亚学院二一四年九月电磁场与电磁波课程教学大纲Electromagnetic Field And Microwave学 院: 理工学院 执笔人:丁学用专业负责人：丁学用 制定(修订)时间: 2014年9月一、课程基本信息课程代码03070007课程性质专业课课程总学时48课程总学分3本学期学分3本学期学时48理论学时48实验学时0开课学院理工学院适用专业通信工程、海洋通信先修课程高等数学、复变函数、概率论后续课程移动通信、卫星通信、数据通信技术、微波天线技术选用教材电磁场与电磁波、谢处方、饶克谨、高等教育出版社、2006年主要教学参考书电磁场与电磁波学习指导、郭辉萍、西安电子科技大学出版社、2010年推荐阅读书目、工具书1电磁场与电磁波、杨儒贵、高等教育出版社、2003年考核方式考试课程在人才培养体系中的地位和作用本课程是高等院校理、工等各专业的公共基础课之一。随着信息技术的飞速发展，要求从事电子信息技术的人员必须通晓和掌握电磁场与电磁波的基本特性、分析方法及其应用。通过学习本课程目的是使学生通过学习，能熟练地较系统、深入地掌握电磁场与电磁波方面的基本理论及其应用，为学生将来从事这方面的工作以及进一步深造打好理论基础，从而使学生能“带的走”，学得知识“用的上”，以达到“走进校园是为了更好地走向社会”这一育人理念。二、学时分配表章序内 容学时理论课时实验课时1第1章 矢量分析102第2章 电磁场的基本规律103第3章 静态电磁场及其边值问题的解84第4章 时变电磁场65第5章 均匀平面波在无界空间中的传播26第6章 均匀平面波的反射与透射47第7章 导行电磁波68第8章 电磁辐射总复习2总 计48三、教学内容与基本要求第1章 矢量分析（10学时）【教学目标】本章是基本知识的介绍，要掌握的主要内容为矢量、标量和场的概念，矢量的加、减、标量积、矢量积运算，了解三种常用正交坐标系之间的转化关系，方向导数和梯度、通量和散度、环量和旋度的概念及其运算公式，并了解矢量的旋度和散度的区别与联系。【教学内容】1.1 矢量代数1.1.1 标量和矢量1.1.2 矢量的加法和减法1.1.3 矢量的乘法1.2三种常用的正交坐标系1.2.1直角坐标系1.2.2圆柱坐标系1.2.3球坐标系1.2.4 矢量积(叉积)1.3 标量场的梯度1.3.1 标量场的等值面1.3.2 方向导数1.3.3 梯度1.4 矢量场的通量与散度1.4.1 矢量场的矢量线1.4.2 通量1.4.3散度1.4.4散度定理1.5 矢量场的环流与旋度1.5.1 环流1.5.2旋度1.5.3斯托克斯定理1.6无旋场与无散场1.6.1 无旋场1.6.2无散场1.7 拉普拉斯运算与格林定理1.7.1拉普拉斯运算1.7.2格林定理1.8 亥姆霍兹定理【基本要求】了解：矢量、标量和场的概念，三种常用正交坐标系之间的转化关系以及矢量的旋度和散度的区别与联系。理解：方向导数和梯度、通量和散度、环量和旋度的概念及其运算公式。掌握：矢量的加、减、标量积、矢量积运算。【本章重点】矢量的加、减、标量积、矢量积运算。【本章难点】方向导数和梯度、通量和散度、环量和旋度的概念及其运算公式。【思考拓展】实践项目：在日常生活中，分别找出矢量场与标量场的例子，理解矢量场的概念。第2章 电磁场的基本规律（10学时）【教学目标】主要介绍电磁场的基本物理量和基本规律，主要内容包括：电荷与电荷分布、电流与电流密度、电荷守恒定律；真空中的静电场方程；真空中的静磁场方程；煤质的极化和磁化；电磁感应定律、位移电流；麦克斯韦方程组、电磁场的边界条件。【教学内容】2.1 电荷守恒定律2.1.1 电荷及电荷密度2.1.2 电流及电流密度2.1.3电荷守恒定律与电流连续性方程2.2 真空中的静电场基本规律2.2.1 库仑定律 电场强度2.2.2 静电场的散度与旋度2.3 真空中恒定磁场的基本规律2.3.1 安培力定律 磁感应强度2.3.2 恒定磁场的散度与旋度2.4 煤质的电磁特性2.4.1 电介质的极化 电位移矢量2.4.2 磁介质的磁化 磁场强度2.4.3煤质的传导特性2.5 电磁感应定律和位移电流2.5.1 法拉第电磁感应定律2.5.2 位移电流2.6 麦克斯韦方程组2.6.1麦克斯韦方程组的积分形式2.6.2麦克斯韦方程组的微分形式2.6.3 煤质的本构关系2.7 电磁场的边界条件2.7.1 边界条件的一般形式2.7.2 两种特殊情况下的边界条件【基本要求】了解：电荷及其分布、电流及其分布以及电流连续性方程。理解：电磁和磁场的概念，掌握电磁强度和磁感应强度的积分形式，会计算一些简单源分布产生的场。掌握：电磁场基本方程、牢固掌握麦克斯韦方程组并深刻理解其物理意义，掌握电磁场的边界条件。【本章重点】真空中和介质中静电场的积分和微分方程，麦克斯韦方程组的积分和微分形式，电磁场的边界条件。【本章难点】电磁场边界条件的证明。【思考拓展】 为什么要研究边界条件？怎么样建立模型证明电磁场的边界条件。第3章 静态电磁场及其边值问题的解（8学时）【教学目标】主要介绍静态电场、恒定电场和恒定磁场的基本方程和边界条件，位函数，能量和力，电容、电阻和电感，静态场边值问题的几种解法（镜像法、分离变量法和有限差分法）。【教学内容】3.1 静电场分析3.1.1 静电场的基本方程和边界条件3.1.2 电位函数3.1.3导体系统的电容3.1.4静电场的能量3.1.5静电力3.2 导电煤质中的恒定电场分析3.2.1 恒定电场的基本方程和边界条件3.2.2 恒定电场与静电场的比拟3.3 恒定磁场分析3.3.1恒定磁场的基本方程和边界条件3.3.2 矢量磁位和标量磁位3.3.3电感3.3.4恒定磁场的能量3.3.5磁场力3.4 静态场的边值问题及解的惟一性定理3.4.1 边值问题的类型3.4.2 惟一性定理3.5 镜像法3.5.1 接地导体平面的镜像3.5.2 导体球面的镜像3.5.3导体圆柱面的镜像3.5.4介质平面的镜像3.6 分离变量法3.6.1 直角坐标系中的分离变量法3.6.2 圆柱坐标系中的分离变量法3.6.3 球坐标系中的分离变量法3.7 有限差分法 3.7.1 有限差分方程3.7.2 差分方程的求解方法【基本要求】了解：静电比拟法，标量磁位的概念，分离变量法的基本思想和解题步骤，能够用分离变量法求解直角坐标系中的一些简单二维问题。理解：电场能量和能量密度的概念，会计算一些典型场的能量，会计算典型双导体的电容，矢量磁位及其微分方程，磁场能量和能量密度，静电场的惟一性定理及其重要意义。掌握：静电场的基本方程和边界条件，静电场中的电位函数及其微分方程，电位的边界条件，恒定电场的基本方程和边界条件，恒定磁场的基本方程和边界条件，镜像法的基本原理。【本章重点】真空中和介质中静磁场的基本方程的积分和微分形式。【本章难点】静态场边值问题的几种解法（镜像法、分离变量法和有限差分法）【思考拓展】比较电场和磁场的相似之处和不同之处。第4章 时变电磁场（6学时）【教学目标】主要介绍时变电磁场的普遍规律，电磁场的波动方程、动态矢量位和标量位、坡印廷定理和坡印廷矢量、时谐电磁场。【教学内容】4.1 波动方程4.2 电磁场的位函数4.2.1 矢量位和标量位4.2.2 达朗贝尔方程4.3 电磁能量守恒定律4.4 惟一性定理4.5 时谐电磁场4.5.1 时谐电磁场的复数表示4.5.2 复矢量的麦克斯韦方程【基本要求】了解：坡印廷定理和坡印廷矢量的意义，以及时谐变电磁场的形成过程，波动方程的应用。理解：动态矢量位和标量位的概念以及其满足的微分方程，惟一性定理及其重要意义。掌握：坡印廷定理的意义并应用其分析计算电磁能量的传输，正弦电磁场的复数表示方法及其意义，复数形式的麦克斯韦方程和波动方程。【本章重点】坡印廷定理的意义，复数形式的麦克斯韦方程和波动方程。【本章难点】时谐变电磁场的形成过程，波动方程的应用。【思考拓展】根据麦克斯韦方程了解电磁波的形成过程。第5章 均匀平面波在无界空间中的传播（2学时）【教学目标】主要介绍均匀平面波在无界的理想介质中的传播特性和导电煤质中的传播特性、电磁波的极化、均匀平面波在各向异性煤质中的传播、相速与群速。【教学内容】5.1 理想介质中的均匀平面波5.2 电磁波的极化5.3 均匀平面波在导电煤质中的传播5.4色散与群速【基本要求】了解：电磁波在各向异性煤质中传播问题的分析方法及其传播特性。理解：均匀平面波的概念以及研究均匀平面波的重要意义，描述传播特性的参数的物理意义，群速的概念以及群速与相速的关系。掌握：波的概念和表示方法，波的极化的概念以及研究波的极化的重要意义，三种极化方式的条件并能正确判别波的极化状态。【本章重点】波的概念和表示方法，波的极化的概念以及研究波的极化的重要意义。【本章难点】三种极化方式的条件并能正确判别波的极化状态。【思考拓展】波的极化的概念以及研究波的极化的重要意义。第6章 均匀平面波的反射与透射（4学时）【教学目标】主要介绍均匀平面波对两种不同煤质分界平面的垂直入射。均匀平面波对理想介质分界面的斜入射和均匀平面波对理想导体表面的斜入射。【教学内容】6.1 均匀平面波对分界面的垂直入射6.1.1 对导电煤质分界面的垂直入射6.1.2 对理想导体平面的垂直入射6.1.3对理想介质分界面的垂直入射6.2 均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射6.2.1 多层煤质的场量关系与等效波阻抗6.2.2 四分之一波长匹配层6.2.3 半波长介质窗6.3 均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射6.3.1 反射定律与折射定律6.3.2 反射系数与透射系数6.3.3全反射与全透射6.4均匀平面波对理想导体平面的斜入射 6.4.1垂直极化波对理想导体表面的斜入射 6.4.2平行极化波对理想导体表面的斜入射【基本要求】了解：均匀平面波对多层煤质分界面垂直入射的分析方法，均匀平面波对分界面的斜入射问题的分析方法。理解：反射定律和折射定律以及反射系数、透射系数的意义，全反射现象和无反射现象的概念。掌握：四分之一波长匹配层和半波长介质窗的意义及其应用，全反射现象和无反射现象产生的条件及其应用。【本章重点】四分之一波长匹配层和半波长介质窗的意义及其应用，全反射现象和无反射现象产生的条件及其应用。【本章难点】反射定律和折射定律以及反射系数、透射系数的意义。【思考拓展】 跟初中学过的光的折射放射定理进行比较。第7章 导行电磁波（6学时）【教学目标】主要介绍导行波系统中的场分析及规则波导的传输特性参量，了解矩形波导中的场方程的推导过程以及圆波导中的场方程及谐振腔的基本性质。【教学内容】7.1 导行电磁波概论7.1.1 TEM波7.1.2 TM波和TE波7.2 矩形波导7.2.1 矩形波导中的场分布7.2.2 矩形波导中波的传输特性7.2.3 矩形波导中的主模7.2.4 矩形波导中的传输功率7.3 圆柱行波导7.3.1 圆波导中的场分布7.3.2 圆波导的传输特性7.3.3 圆柱形波导中的三种典型模式7.4同轴波导 7.4.1 同轴波导中的TEM波 7.4.2 同轴波导中的高次模7.5 谐振腔7.6 传输线【基本要求】了解：圆波导和同轴波导中的场方程及谐振腔的基本性质。理解：矩形波导中的场方程的推导过程。掌握：导行波系统中的场分析及规则波导的传输特性参量和矩形波导中的场方程。【本章重点】导行波系统中的场分析及规则波导的传输特性参量和矩形波导中的场方程。【本章难点】矩形波导中的场方程的推导过程。【思考拓展】1. 找相关波导与谐振腔的论文学习波导和谐振腔在实际中的应用。第8章 电磁辐射（2学时）【教学目标】了解天线的定义，天线的分类及研究方法，掌握电磁辐射的基本理论及天线的电参数。【教学内容】8.1 滞后位8.2 电偶极子的辐射8.5 天线的基本参数8.6 对称天线8.7 天线阵【基本要求】了解：天线的定义，天线的分类及研究方法。理解：天线的电参数。掌握：电磁辐射的基本理论。【本章重点】天线的定义，天线的分类及研究方法，电磁辐射的基本理论。【本章难点】电磁辐射的基本理论。【思考拓展】 简述天线的功能，它有哪些电参量？四、教学改革与创新【教学内容改革与创新】根据学生的知识基础特点和课时分配，以“应用型本科”学生为主要授课对象，以培养应用型人才为基本目的，以“实用、适用、够用”为基本原则，重在基本概念、基本方法的表述。注重基本概念，追求过程简明、清晰和准确，重在原理，压缩繁琐的理论推导。做到重点突出、叙述简洁、易教易学。【教学方法改革与创新】从教