《电磁场与电磁波》课程教学大纲

电磁场与电磁波课程教学大纲Electromagnetic fields and waves课程编号： 学 分： 4学 时： 64 （其中：讲课学时：56 实验学时2： 上机学时：6 ）先修课程： 高等数学、普通物理、数学物理方法后续课程：适用专业：光信息科学与技术、应用物理、电子信息、电子对抗开课部门： 理学院一、 课程教学目的和课程性质电磁场与电磁波是高等学校理工科电子类或信息类专业必修的一门专业基础理论课，其任务是介绍宏观电磁现象的基础理论和平面电磁波动的基本规律，使学生能完整地理解和掌握宏观电磁场的基本性质和基本规律，对电子信息工程中的电磁现象和电磁场问题能用场的观点进行分析和计算。同时，电磁场理论又是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础，它对于学生后续专业课程的学习和增强学生的适应能力与创造能力，具有重要的作用。二、课程的主要内容及基本要求第一章 矢量分析（6学时）知 识 点 矢量代数、 三种常用的正交坐标系、标量场的梯度、 矢量场的通量与散度、 矢量场的环流与旋度、 无旋场与无散场、亥姆霍兹定理。 重 点 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概念，应深刻理解，掌握散度、旋度和梯度的计算公式和方法。 难 点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。 基本要求 1、理解标量场与矢量场的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的计算公式和方法；3、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概念。考核要求1、理解标量场与矢量场的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的计算公式和方法；3、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概念。第二章 电磁场的基本规律 (10学时)知 识 点 电荷守恒定律、真空中静电场的基本规律、真空中恒定磁场的基本规律、媒质的电磁特性、电磁感应定律和位移电流。 重 点 真空中静电场的基本规律、真空中恒定磁场的基本规律、电磁感应定律和位移电流。 难 点电磁感应定律和位移电流、麦克斯韦方程组、电磁场的边界条件 基本要求 1、理解电荷及其分布、电流及其分布以及电流连续性方程。理解电场和磁场的概念，掌握电场强度和磁场强度的积分公式，会计算一些简单源分布（电荷、电流密度）产生的场。2、掌握电场基本方程，了解电介质的极化现象及极化电荷分布。掌握静磁场的基本方程，了解磁介质的磁化现象及磁化电流分布。3、掌握电磁感应定律及位移电流的概念，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。实践与练习 上机实习，2个学时，上机内容电磁软件CST的安装和基本操作，对电磁软件模拟CST由有个初步认识，增强学生的学习兴趣。 考核要求1、掌握电场基本方程2、掌握静磁场的基本方程，了解磁介质的磁化现象及磁化电流分布。3、掌握电磁感应定律及位移电流的概念，4、掌握麦克斯韦方程组并深刻理解其物理意义，5、掌握电磁场的边界条件。第三章 静态电磁场及其边值问题的解 (14学时)知 识 点 静电场分析、导电媒质中的恒定电场分析、恒定磁场分析、 静态场的边值问题及解得唯一性定理、 镜像法、分离变量法。 重 点 着重掌握静电场、恒定电场和恒定磁场的基本方程及电位所满足的微分方程，掌握镜像法和分离变量法解题的思路及典型问题的求解。 难 点静态场的边值问题及解得唯一性定理、 镜像法、分离变量法。 基本要求 1、掌握静电场的基本方程和边界条件，掌握静电场中的电位函数及其微分方程，掌握电位的边界条件；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。2、掌握恒定电场的基本方程和边界条件，了解静电比拟法，会计算典型导体的电阻。3、掌握恒定磁场的基本方程和边界条件，理解矢量磁位及其微分方程，了解标量磁位的概念。理解磁场能量和能流密度，会计算一些典型场的磁场能量，会计算典型回路的电感。4、理解静电场的惟一性定理及其重要意义。5、掌握镜像法的基本原理，会用镜像法求解一些典型问题。5、了解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的二维问题。实践与练习 上机实习，2个学时，上机内容电磁软件CST的基本操作，增强学生对电磁软件模拟CST的认识。 考核要求1、掌握静电场的基本方程和边界条件，2、掌握静电场中的电位函数及其微分方程，3、掌握电位的边界条件；理解电场能量和能量密度的概念，。4、掌握恒定电场的基本方程和边界条件，5、掌握恒定磁场的基本方程和边界条件，6、掌握镜像法的基本原理，会用镜像法求解一些典型问题。7、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的二维问题。第四章 时变电磁场 （6学时）知 识 点 波动方程、 电磁场的位函数、 电磁能量守恒定律、时谐电磁场 重 点 掌握坡印廷矢量和平均坡印廷矢量的物理意义及如何计算。 难 点坡印廷定理和电磁能量守恒定律。 基本要求 1、掌握电磁场的波动方程，理解动态矢量位和标量位的概念以及其满足的微分方程。2、坡印廷定理是电磁场的能量转换与守恒定律，应深刻理解其物理意义。坡印廷矢量描述了电磁能量的传输，是电磁场中的一个重要概念，必须深刻理解其物理意义并应用它分析计算电磁能量的传输。3、惟一性定理是电磁场的重要定理之一，它揭示了电磁场具有惟一确定分布的条件，应很好地理解惟一性定理及其重要意义。4、掌握正旋电磁场的复数表示方法及其意义，掌握复数形式的麦克斯韦方程和波动方程，掌握有耗媒质特性参数的描述，掌握平均坡印廷矢量。考核要求1、掌握电磁场的波动方程，2、坡印廷定理是电磁场的能量转换与守恒定律，及其物理意义并应用它分析计算电磁能量的传输。3、复数形式的麦克斯韦方程和波动方程，4、掌握有耗媒质特性参数的描述，5、平均坡印廷矢量。第五章 均匀平面波在无界空间中的传播（8学时）知 识 点 理想介质中的均匀平面波、电磁波的极化、 均匀平面波在导电媒质中的传播。重 点 1、波的概念和表示方法，理解均匀平面波的概念以及研究均匀平面波的重要意义2、均匀平面波在无界有损耗媒质中的传播特性，3、描述传播特性的参数的物理意义。4、均匀平面波在理想介质和导电媒质中的传播。 难 点均匀平面波在导电媒质中的传播。 基本要求 1、掌握波的概念和表示方法，理解均匀平面波的概念以及研究均匀平面波的重要意义；2、理解和掌握均匀平面波在无界理想介质中的传播特性；3、理解和掌握均匀平面波在无界有损耗媒质中的传播特性，理解描述传播特性的参数的物理意义。4、了解电磁波在各向异性媒质中的传播问题的分析方法及其传播特性。 考核要求1、波的概念和表示方法。2、均匀平面波在无界有损耗媒质中的传播特性，3、描述传播特性的参数的物理意义。第六章 均匀平面波的反射与透射 (8学时)知 识 点 均匀平面波对分界平面的垂直入射、均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射、均匀平面波对理想介质分界平面的斜入射、均匀平面波对理想导体平面的斜入射。 重 点 均匀平面波对导电媒质分界面、理想导体平面和理想介质分界面的垂直入射，掌握反射系数、透射系数的概念与计算。 难 点1、匀平面波对多层媒质分界面垂直入射的分析方法，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。2、均匀平面波对分界面的斜入射问题的分析方法，理解斯耐尔反射定律和折射定律以及反射系数、透射系数的意义；理解全反射现象和无反射现象的概念，掌握其产生的条件，了解其应用。 基本要求 均匀平面波对理想导体平面和理想介质平面的垂直入射，是讨论反射和透射问题的最基本、也是最简单的情形，应掌握其分析方法和过程，理解所得结果表征的物理意义。实践与练习 上机实习，2个学时，上机内容：利用电磁软件CST的进行简单微波元件仿真设计。考核要求1、均匀平面波对导电媒质分界面、理想导体平面和理想介质分界面的垂直入射。2、反射系数、透射系数的概念与计算。第七章 导行电磁波 (8学时)知 识 点 导行电磁波概论、 矩形波导、 同轴波导、谐振腔、传输线理论 重 点 纵向场分析法求解波导中的场分布，掌握传播常数、截止波数、传播模式、截止频率、相位常数、波导波长、相速度、波阻抗的计算公式。 难 点波导中的纵向场分析法是求解波导中场分布的重要方法，要求理解该方法的思路。对于该方法中涉及到得有关物理量，如传播常数、截止波数等是讨论波导中波传播特性的关键，基本要求 1、波导涉及到的有关物理量，如传播常数、截止波数等的物理意义和计算公式。2、波导中三种模式的传播条件和传播特性。3、TEM波传输线的特性参数、波的传播特点及工作状态分析也是这一章的重点。4、要求掌握特性阻抗、输入阻抗、反射系数、终端反射系数、驻波系数的定义、计算公式和物理意义。掌握传输线三种不同工作状态的条件和特点。5、关于谐振腔，要求了解振荡模式的特点，掌握谐振频率的计算公式，理解品质因素的物理意义，了解其计算方法。实践与练习 实践实习，2个学时，内容：认识网络分析仪的基本操作和功能，并对简单的微波器件进行测试，初步认识微波器件的功能和结构。考核要求1、波导涉及到得有关物理量，如传播常数、截止波数等的物理意义和计算公式。2、波导中三种模式的传播条件和传播特性是这一章的重点，必须牢固掌握三种模式的分类方法和传播特性参数，如截止频率、相位常数、波导波长、相速度、波阻抗的计算公式，并应用它们分析具体给定波导中不同模式的传播特性。第八章 电磁辐射 (4学时)知 识 点 滞后位、电偶极子的辐射、电与磁的对偶性、磁偶极子的辐射、天线的基本参数。 重 点 电偶极子的辐射、天线的基本参数。 难 点1、辐射问题，即电磁波与激发它们的源之间的关系。2、掌握滞后位的物理意义。3、掌握电偶极子的近区场和远区场的性质。基本要求 1、辐射场的研究方法。2、滞后位的物理意义3、电偶极子辐射是一种最简单也是最重要的辐射形式。要求掌握电偶极子的近区场和远区场的性质。4、天线的基本参数。考核要求1、滞后位的物理意义2、电偶极子的近区场和远区场的性质。3、天线的基本参数。三、学时分配知识单元讲课实验上机合计第一章 矢量分析6006第二章 电磁场的基本规律 80210第三章 静态电磁场及其边值问题的解 120214第四章 时变电磁场 6006第五章 均匀平面波在无界空间中的传播8008第六章 均匀平面波的反射与透射 6028第七章 导行电磁波 6208第八章 电磁辐射 44合计560056四、教学方法建议运用多媒体教学手段，理论与案例相结合的手段进行教学。五、考核模式与成绩评定办法采取出试卷考试方式，成绩评定为百分制。六、选用教材和主要参考书1电磁场理论基础，王蔷等，清华大学出版社，2001年1版2