电磁场与波大纲2014改

《电磁场与波》课程教学大纲课程英文名称Electromagneticfieldandwave课程代码：E0201440学时：68（包括6学时实验）学分数：4课程类型：学科基础课适用学科专业：电子类先修课程：高等数学、大学物理执笔者：王园编写日期：2014-06-10审核人：一、课程性质和目标（一）课程性质本课程是一门专业基础课。其任务是在高等数学、大学物理的基础上学习电磁场与波的基本理论和基本分析方法。ThiscourseisabasiccourseofElectromagnetism.Itstaskislearningthebasictheoryofelectromagneticfieldandwaveandthebasicanalysismethodbasedonthehighermathematics,universityphysics.（二）课程目标“电磁场与波”教学是在大学物理（电磁学）的基础上，着重阐述电磁场的基本概念、原理、规律和基本分析方法，及其在工程实际中的应用。通过对本课程的学习，使学生进一步了解电磁场与波理论体系丰富且深刻的内涵和外延，正确认识电磁规律的本质和相关物理量的内在联系；掌握解析求解电磁问题的基本方法；建立认识、分析电磁理论问题和知识应用问题的能力。通过本课程的学习使学生掌握电磁场与波的基本概念与基本理论,包括场论理论、实验定律与麦克斯韦方程组、静态场、时变场、电磁波的传播和辐射等。为今后学习其他后续课程或在电磁场与电磁波方面进一步深入学习打下基础。Teachingofelectromagneticfieldandwaveisfocusedonthebasicconcepts,principles,rulesandanalysismethodsinelectromagnetics,aswellastheirengineeringapplications,basedontheelectromagnetismsectionofphysicsattheuniversitylevel.Studyofthiscourseenablesstudents:Tofurtherunderstandtherich,profoundconnotationsandextensioninthetheoreticalsystemofelectromagneticfieldandwave;Tocorrectlyunderstandthenatureofelectromagneticlawsandinherentrelationshipoftherelevantphysicalquantities;Tomastertheessentialmethodofsolvingelectromagneticproblems;Tobuildtheabilityofproblemrecognition,analysisinelectromagnetictheory,andknowledgeapplication.Fromthiscourse,thestudentswillmasterthefundamentalconceptsandtheoryinelectromagneticfieldandwavefromtwoaspects.Oneisfieldtheoryandexperimentallaw,andtheotherisMaxwellequations,electrostaticsandmagnetostatics,time-varyingfield,propagationandradiationofelectromagneticwaves.Thiscoursewilllaythegroundworkforthefuturestudyofotherfollow-upcoursesorfurtherin-depthstudyontheelectromagneticfieldandwave.二、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法绪论（1学时）第1章矢量分析（5学时）1.1矢量代数(自学)1.2三种常用的正交坐标系（1学时）1.2.1直角坐标系，1.2.2圆柱坐标系，1.2.3球坐标系1.3标量场的梯度（1学时）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学时）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学时）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、1.7拉普拉斯运算与格林定理、1.8亥姆霍兹定理（1学时）1.6.1无旋场，1.6.2无散场，1.7.1拉普拉斯运算。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；直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系是三种常用的坐标系，应熟练掌握；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；理解无旋场和无散场的概念，掌握标量位和矢量位的概念；理解亥姆霍兹定理的重要意义。教学重点与难点：梯度、散度、旋度的物理意义及运算；散度定理和斯托克斯定理的应用；亥姆霍兹定理的理解。第2章电磁场的基本规律（12学时）2.1电荷守恒定律（2）2.2真空中静电场的基本规律（1）2.3真空中恒定磁场的基本规律（1）2.4媒质的电磁特性（2）2.5电磁感应定律和位移电流（2）2.6麦克斯韦方程组（2学时）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媒质的本构关系2.7电磁场的边界条件（2学时）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。掌握电磁场基本实验定律与麦克斯韦方程组的关系；了解媒质的电磁特性；掌握电磁场边界条件的形式和应用。第3章静态电磁场及其边值问题的解（13学时）3.1静电场分析（2学时）3.3恒定磁场分析（2学时）3.2导电媒质中的恒定电场分析（2学时）3.4静态场的边值问题及解的惟一性定理（1）3.5镜像法（4学时）3.5.1接地导体平面的镜像、3.5.2导体球面的镜像3.6分离变量法(自学)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。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。理解静电场的惟一性定理及其重要意义。掌握镜像法的基本原理，会用镜像法求解一些典型问题。第4章时变电磁场（5学时）4.1波动方程、4.2电磁场的位函数（1学时），4.3电磁能量守恒定律、4.4惟一性定理（2学时），4.5时谐电磁场（2学时）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；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；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；掌握正弦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。第5章均匀平面波在无界空间中的传播（9学时）5.1在理想介质中均匀平面波（4学时）5.2电场波的极化（3学时）5.3均匀平面波在导电媒质中的传播（2学时）理解均匀平面波的概念以及研究均匀平面波的重要意义；理解和掌握均匀平面波在无界理想介质中的传播特性；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；掌握波的极化的概念以及研究波的极化的重要意义，掌握三种极化方式的条件并能正确判别波的极化状态；了解群速的概念以及群速与相速的关系。教学重点与难点：理想介质中均匀平面波的参量：频率、波数、波长、波速（相速）、电场磁场的相互关系、媒质的本征阻抗、TEM波的定义，判断波的传播方向，并归纳其传播特性；沿任意方向传播的均匀平面波的表达方式，电场和磁场的相互关系式；通过所给电场表达式判断线极化波和圆极化波（包括左旋和右旋的判断）；导电媒质中均匀平面波的参量：等效介电常数（相位常数和衰减常数）、传播常数，色散概念，其传播特性与在理想介质中的传播特性的比较；如何判断良导体和不良导体，求良导体的趋肤深度。第6章均匀平面波的反射和透射（9学时）6.1均匀平面波对平面分界的垂直入射（3学时）6.2均匀平面波对多层介质分界平面的垂直入射(自学)6.3均匀平面波对理想介质平面分界的斜入射（4学时）6.4均匀平面波对理想导体平面的斜入射（2学时）对于均匀平面波对理想导体平面和对理想介质平面的垂直入射问题，应掌握其分析方法和过程，理解所得结果表征的物理意义；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。教学重点与难点：垂直入射中入射波、反射波和透射波的表达式（电场和磁场），如何求反射系数和透射系数，以及驻波系数；理解平行极化波和垂直极化波的定义和表达式，求全反射临界角和全透射（平行极化波）的布儒斯特角，并掌握其本质。第7章导行电磁波（4学时）7.1导行电磁波概论（1学时）7.2矩形波导（3学时）理解波导中的纵向场分析法；掌握导行电磁波的三种模式及其传播参数和传播特性；掌握矩形波导中TE波和TM波的传播特性；了解矩形波导中主模（TE10）的场分布、场图及管壁电流分布，掌握实现单模传输的条件和波导尺寸设计的原理。教学重点与难点：矩形波导中的场分布的求解方法；几个参量和概念：传播常数、截止波数、截止频率和截止波长、波阻抗、波导波长；矩形波导中电磁波的传播特性；矩形波导中的主模为TE10模及其单模传输的条件。第8章电磁辐射（3学时）8.1滞后位（1学时）8.2电偶极子的辐射（2学时）理解滞后位的概念，掌握电偶极子远区辐射场的概念。机动（3学时）（二）自学内容1、矢量代数2、分离变量法3、均匀平面波对多层媒质的反射与透射（三）实践性教学环节和要求实验教学6学时：①
电磁波感应器的设计与制作（3学时）内容：设计简易接收天线，并用无源感应灯制作电磁波感应器。要求：了解电磁波发射和接收过程；理解电磁波能量与距离的关系；了解天线的基本常识。②
电磁波的极化（3学时）内容：使用制作的电磁波感应器，测量电磁波的极化形式，并观测研究电磁波极化隔离现象要求：理解认识电磁波的极化特性，结合应用课程理论知识研究电磁波极化形式的测量方法。三、成绩构成1、课堂测验6次占20%2、课程设计占10%3、平时作业占10%4、实验占10%4、期末考试闭卷占50%四、建议教材及参考资料1.教材《电磁场与电磁波》（第四版），谢处方、饶克谨编，杨显清、王园、赵家升修订，高等教育出版社，2006年4月2.参考资料①《大学物理》（下）孙云卿电子工业出版社，2005年8月②《电磁场与电磁波（第四版）教学指导书》，杨显清、王园、赵家升编，高等教育出版社，2006年5月③《电磁场理论》，全泽松编，电子科技大学出版社，1995年12月助学网站：