电磁学程福臻【演示文档】

20XX/XX/XX电磁学程福臻汇报人:XXXCONTENTS目录01

程福臻教授简介02

电磁学基础概念03

电磁学基本定律04

电磁学应用领域05

电磁学实验与实践CONTENTS目录06

电磁学课程教学方法07

电磁学前沿研究08

《电磁学》教材介绍09

总结与展望01程福臻教授简介教育背景与学术经历国内教育奠基

1965年本科毕业于中国科学技术大学物理系并留校任教，奠定坚实物理基础。海外深造经历

1984年在意大利国际研究生院取得博士学位，系统开展电磁学理论研究。国际学术交流

1985年赴美国哈佛大学史密松天体物理中心任访问学者，1992-1993年在美国空间望远镜科学所开展合作研究。学术任职发展

1994年获博士生导师资格，2008年担任全国高等院校电磁学教学研究会名誉理事长，深耕教学科研五十余载。教学实践与成果

三位一体教学模式创新创建"理论讲授+科学史融合+互动研讨"教学模式，每节课备课时间超授课时间四倍，在《电磁学》《电动力学》课程中融入牛顿、麦克斯韦等科学家典故，激发学生学习兴趣。

课堂互动与实验教学改革设计"五分钟课堂讨论"环节，开发配套演示实验，如电磁感应实验现场演示，学生评教满意度长期保持高位，加深对理论知识的直观理解。

教学团队建设与青年教师培养主导建设国家级电磁学教学团队（2008年），首创"一对一"传帮带制度培养青年教师，形成结构合理、教学水平高的师资队伍。

教学成果与课程建设荣誉1993年获国家优秀教学成果二等奖，2005年《电磁学》获评国家理科基地名牌课程，2012年领衔项目获安徽省教学成果特等奖，2007年《电磁学》被评为国家级精品课程。科研贡献与荣誉表彰

01活动星系核物理领域突破提出星系化学演化新模型，解释宇宙早期大质量星系形成机制，指导学生在国际顶级期刊发表相关成果；建立多波段观测数据库，为后续研究提供基础。

02科研项目与学术成果承担国家自然科学基金重大项目3项，发表学术论文逾百篇，参与编著《电磁学导论》等5部教材，推动电磁学与天体物理交叉领域发展。

03国家级教学成果与荣誉1993年获国家优秀教学成果二等奖，2006年被评为国家级教学名师，2012年领衔项目获安徽省教学成果特等奖，2008年担任全国高等院校电磁学教学研究会名誉理事长。

04科研奖励与学术兼职获中国科学院自然科学奖二等奖两次（1982年、1991年），曾任中国天文学会副理事长（1990-2000年）、安徽省天文学会理事长，建立长期国际合作网络。02电磁学基础概念电磁场的概念电磁场的定义电磁场是电场和磁场的统称，是电磁力作用的媒介，存在于带电粒子周围。电磁场的理论基石麦克斯韦方程组是描述电场和磁场如何随时间和空间变化的基本方程，是电磁学的理论基石。电磁感应原理电磁感应是指在导体中产生电流的现象，由法拉第发现，是发电机和变压器工作的基础。电磁波的传播特性电磁波是由振荡的电场和磁场相互激发而产生的，能够以光速在空间中传播。洛伦兹力定律洛伦兹力定律解释了带电粒子在电磁场中所受的力，是电磁学中描述力与场关系的重要公式。基本物理量电荷量电荷量是描述物体带电多少的物理量，单位为库仑（C），正负电荷相互吸引或排斥。电流强度电流强度表示单位时间内通过导体横截面的电荷量，单位为安培（A），是电磁学中的核心概念之一。电压电压是推动电荷流动形成电流的力，单位为伏特（V），是衡量电势差的物理量。电阻电阻表示导体对电流流动的阻碍程度，单位为欧姆（Ω），是电磁学中描述材料性质的重要参数。电磁场理论麦克斯韦方程组：电磁场理论的基石麦克斯韦方程组是描述电场和磁场如何随时间和空间变化的基本方程，是电磁学的理论基石，它统一了电现象和磁现象，预言了电磁波的存在。电磁波的传播：光的电磁本质电磁波是由振荡的电场和磁场相互激发而产生的，能够以光速在空间中传播，光就是一种电磁波，这一发现揭示了光的电磁本质。洛伦兹力定律：力与场的关系洛伦兹力定律解释了带电粒子在电磁场中所受的力，是电磁学中描述力与场关系的重要公式，其数学表达式为F=q(E+v×B)，其中q为电荷量，E为电场强度，v为粒子速度，B为磁感应强度。03电磁学基本定律库仑定律库仑定律的核心内容库仑定律描述了真空中两个静止点电荷之间相互作用力的规律，其大小与两个点电荷电荷量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比，作用力的方向沿着两点电荷的连线，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。库仑定律的数学表达式库仑定律的数学表达式为：\(F=k\frac{q_1q_2}{r^2}\)，其中\(F\)为两个点电荷之间的静电力，\(k\)为静电力常量，\(q_1\)、\(q_2\)分别为两个点电荷的电荷量，\(r\)为两个点电荷之间的距离。在国际单位制中，\(k=9.0\times10^9N\cdotm^2/C^2\)。库仑扭秤实验的验证库仑通过扭秤实验首次定量测量了电荷间的作用力，为库仑定律提供了坚实的实验基础。实验中，他利用扭秤的扭转程度来测量微小的静电力，通过改变电荷电荷量和距离，得出了力与电荷量乘积成正比、与距离平方成反比的结论。库仑定律的适用条件与意义库仑定律适用于真空中的静止点电荷。它是电磁学的基本定律之一，为整个电磁学理论的发展奠定了重要基础，不仅在理论上具有重要意义，而且在现代电子设备设计中，用于计算电路中电荷的分布和相互作用，对设计精密电路至关重要。毕奥-萨伐尔定律

定律的数学表达毕奥-萨伐尔定律描述了电流元产生的磁场强度与距离的关系，公式为dB=(μ₀/4π)(Idl×r̂)/r²，其中μ₀为真空磁导率，Idl为电流元，r为电流元到空间某点的距离，r̂为单位矢量。

定律的物理意义该定律表明电流产生的磁场与电流大小成正比，与距离的平方成反比，方向遵循右手定则，揭示了电流激发磁场的基本规律。

应用实例：长直导线长直导线周围的磁场分布可以通过毕奥-萨伐尔定律计算，结果表明磁场呈同心圆分布，圆心位于导线上，磁感应强度大小B=(μ₀I)/(2πr)。

应用实例：圆形回路对于圆形回路，毕奥-萨伐尔定律可以用来计算环中心轴线上某点的磁场强度，其大小为B=(μ₀NIa²)/(2(a²+x²)^(3/2))，其中N为匝数，a为线圈半径，x为轴线上某点到圆心的距离。法拉第电磁感应定律01感应电流的产生条件法拉第定律指出，当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，回路中会产生感应电流，这是发电机和变压器工作的基础原理。02楞次定律的补充说明楞次定律进一步描述了感应电流的方向，即感应电流产生的磁场总是试图抵抗原磁场的变化，体现了能量守恒的规律。03电磁感应的应用实例电动机通过电磁感应实现电能与机械能的转换，无线充电技术则利用电磁感应原理实现能量的无线传输，广泛应用于智能手机等电子设备。楞次定律的补充

楞次定律的核心内容楞次定律指出，感应电流产生的磁场总是试图抵抗原磁场的变化，即感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。

楞次定律与能量守恒楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的体现，感应电流产生的磁场阻碍原磁场变化，需外力做功维持，将机械能转化为电能。

楞次定律的判断方法判断感应电流方向时，先确定原磁场方向及磁通量变化（增加或减少），再根据“阻碍变化”原则确定感应磁场方向，最后用右手螺旋定则判断感应电流方向。

楞次定律的应用场景在电磁阻尼、电磁制动等现象中，楞次定律解释了导体在磁场中运动时受到阻力的原因，如磁悬浮列车的制动过程利用了该原理。04电磁学应用领域电力系统

输电与配电网络电力系统中，输电网络负责将发电站产生的电能输送到远处，而配电网络则将电能分配给最终用户。

智能电网技术智能电网通过集成先进的通信和信息技术，实现电网的实时监控和管理，提高电力系统的效率和可靠性。

电力系统自动化自动化技术在电力系统中用于监控和控制发电、输电、变电和配电过程，确保电力供应的稳定性和安全性。通信技术

无线通信电磁波在无线通信中扮演关键角色，如手机信号、Wi-Fi和蓝牙技术都依赖于电磁学原理。

卫星通信卫星通信利用电磁波传输信号，实现全球范围内的信息传递，如GPS定位和国际电视广播。

光纤通信光纤通信通过光脉冲传输数据，电磁学中的光波理论是其技术基础，广泛应用于互联网和电话网络。电子设备无线通信设备智能手机、无线路由器等设备利用电磁波进行数据传输，实现远程通信和互联网接入，是现代信息社会的重要工具。导航定位设备全球定位系统（GPS）通过接收卫星发射的电磁信号，为用户提供精确的地理位置信息，广泛应用于交通、测绘等领域。医疗电子设备电磁学在医疗成像中应用广泛，如MRI利用强磁场和射频脉冲产生人体内部结构的详细图像，为疾病诊断提供关键依据。导航系统全球定位系统（GPS）的工作原理全球定位系统（GPS）通过接收卫星发射的电磁信号，为用户提供精确的地理位置信息，其定位精度可达米级甚至厘米级。北斗卫星导航系统的电磁学应用北斗卫星导航系统利用电磁波传输导航电文，具备定位、测速、授时等功能，广泛应用于交通、测绘、渔业等领域，其信号抗干扰能力体现了电磁学在通信安全中的重要性。惯性导航与电磁辅助定位技术惯性导航系统结合电磁传感器（如磁罗盘）可校正累积误差，在GPS信号受遮挡的环境（如室内、隧道）中，通过电磁感应原理实现辅助定位，提升导航连续性。医疗成像技术

MRI技术的电磁学原理MRI（磁共振成像）利用强磁场使人体组织中的氢原子核共振，再通过射频脉冲激发产生电磁信号，经计算机处理形成人体内部结构的详细图像，其核心原理基于电磁学中的核磁共振现象。

电磁学在医学影像中的核心应用除MRI外，X光成像利用电磁波的穿透性与物质的吸收差异形成影像，CT扫描则通过X射线束围绕人体旋转采集数据，电磁学中的波动理论和物质相互作用规律是这些技术的理论基础。

电磁技术推动医疗诊断革新电磁学原理支撑的医疗成像技术实现了无创、高精度的人体内部结构观察，如MRI可清晰显示软组织病变，为肿瘤早期诊断、神经疾病研究等提供关键依据，显著提升了现代医学的诊断水平。05电磁学实验与实践实验设备介绍

电磁铁的构造与应用电磁铁是电磁学实验中常见的设备，通过电流产生磁场，其构造通常包括铁芯和线圈，广泛应用于电磁感应实验等场景。

示波器的使用技巧示波器能够显示电压随时间变化的图像，是分析和观察电磁波形的重要工具，使用时需注意正确校准和触发方式的选择。

电阻、电容和电感的测量仪器实验中常用欧姆表、LCR表等仪器测量电阻、电容和电感的参数，这些测量对电路分析至关重要，可帮助准确获取元件特性。实验操作步骤

准备实验设备确保所有实验仪器如电源、导线、电阻、电容器等完好无损，并按需连接。

搭建电路根据实验要求，正确连接电路，包括电源、开关、测量仪器和待测元件。

测量与记录数据使用万用表等测量工具准确记录电压、电流等数据，并做好详细记录。

分析实验结果对收集到的数据进行分析，使用图表或数学模型来解释实验现象。

安全操作规范在实验过程中严格遵守安全操作规程，确保实验安全和个人安全。实验结果分析

数据处理方法采用统计分析和误差分析对实验数据进行处理，确保结果的准确性和可靠性，为后续结论提炼奠定基础。

实验结果对比将实验数据与理论预测值进行对比，分析偏差原因，验证电磁学理论模型在实验场景中的适用性。

实验结论提炼根据实验数据分析，提炼出关键结论，总结实验现象背后的电磁学规律，为后续学习和研究提供依据。06电磁学课程教学方法互动式教学

小组讨论：概念深化与协作通过小组讨论，学生可以互相解释电磁学概念，加深理解，如对麦克斯韦方程组物理意义的探讨，促进知识共享与思维碰撞。

实验演示：现象观察与问题驱动教师现场演示电磁实验，如电磁感应现象中楞次定律的验证，让学生直观观察实验过程，激发提问兴趣，培养科学探究能力。

问题解答环节：即时反馈与疑惑消解课堂上设置特定时间让学生提问，教师针对学生在电磁学学习中遇到的难点，如洛伦兹力方向判断等问题进行即时解答，扫清知识障碍。

五分钟课堂讨论：高效互动模式设计'五分钟课堂讨论'环节，围绕核心知识点如库仑定律的适用条件等，引导学生快速思考并分享观点，提升课堂参与度与反应能力。案例分析法

选择相关案例挑选与电磁学相关的实际案例，如电力系统的故障分析，增强学生的实际应用能力。

案例讨论环节组织学生分组讨论案例，鼓励学生提出问题、分析问题，培养解决问题的能力。

案例与理论结合将案例分析与电磁学理论知识相结合，帮助学生理解抽象概念在实际中的应用。问题导向学习

基于实际案例的问题发现通过分析电磁学领域内的实际案例，如电力系统故障、电子设备干扰等现象，引导学生发现其中涉及的电磁学原理问题，增强学习的针对性和实践性。

小组协作的问题解决过程组织学生分组围绕发现的电磁学问题展开讨论，结合所学理论知识，共同探讨解决方案，培养团队合作能力和运用理论解决实际问题的能力。

问题解决中的理论深化在解决问题的过程中，鼓励学生深入探究相关电磁学理论，如通过分析电磁干扰问题加深对电磁波传播特性和电磁屏蔽原理的理解，实现理论知识的巩固与深化。07电磁学前沿研究新型材料研究

超导材料的突破近年来，科学家们在高温超导材料领域取得显著进展，如铁基超导体的发现，为电力传输带来革新。

二维材料的探索石墨烯等二维材料因其独特的电子性质而备受关注，它们在电子器件和能源存储中的应用前景广阔。

磁性材料的创新研究人员正在开发新型磁性材料，如拓扑绝缘体，这些材料在自旋电子学和量子计算中具有潜在应用。电磁兼容技术

01电磁干扰的抑制在高速电子设备中，采用屏蔽、滤波等技术手段，有效减少电磁干扰，保障设备正常运行。

02电磁兼容测试标准遵循国际和国内的电磁兼容测试标准，如IEC、FCC等，对产品进行严格的电磁兼容性能评估。

03电磁兼容设计原则设计阶段考虑电磁兼容性，通过合理布局、选择合适材料和元件，确保产品在电磁环境中稳定工作。量子电磁学进展

超导材料的突破近年来，科学家们在高温超导材料领域取得显著进展，如铁基超导体的发现，为电力传输带来革新。

二维材料的探索石墨烯等二维材料因其独特的电子性质而备受关注，它们在电子器件和能源存储中的应用前景广阔。

SQUID的应用SQUID是量子电磁学中的一种敏感磁探测器，广泛应用于物理、生物等领域。08《电磁学》教材介绍教材内容简介《电磁学》核心内容架构以电磁场理论为纲，系统阐述静电场、恒定磁场的性质与区别，电磁场对物质的作用和物质的电磁性质，电磁场的内在联系和运动变化规律，直至麦克斯韦电磁场方程和电磁波；同时以电磁作用规律探索为主线，从库仑定律、毕奥-萨伐尔定律、安培定律到法拉第电磁感应定律，最终归结为洛伦兹力公式。《电磁学与电动力学》（上、下册）特色将电磁学与电动力学内容适当贯通，既分阶段又平滑过渡，避免不必要重复以缩短学时。上册深入讲解电磁场性质、电磁场和介质相互作用本质与规律，探讨电磁场能量；下册为电动力学部分，从麦克斯韦方程出发，分析静态电磁场、电磁波的激发、辐射、传播及与介质相互作用，介绍电磁学与狭义相对论的关系。教材定位与适用范围作为普通高等学校物理或应用物理专业本科生的电磁学、电动力学课程教材或参考书，亦可供相关专业师生和科技工作者参考。其中《电磁学与电动力学》上册为中国科学技术大学国家基础科学人才培养基地物理学丛书、“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。教材编写特点应用实例和例题丰富，帮助学生掌握基本概念和理论；融入科学史内容，如牛顿、麦克斯韦等科学家典故，结合“理论讲授+科学史融合+互动研讨”三位一体教学模式设计，注重理论与实践结合