电磁场与波理论课程教学大纲

1、理论课程教学大纲一、课程的性质和任务“电磁场与波”是电子信息类专业本科生必修的一门学科基础课程，所涉及的内容是电子信息类学生必备知识结构的重要组成部分。本课程在大学物理（电磁学）的基础上，着重阐述电磁场与电磁波的基本概念、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，使学生进一步认识电磁场与电磁波的物理本质和基本规律、掌握基本的分析方法，培养学生对电磁问题的分析与求解能力，为学习相关的专业课程或深入研究电磁理论打下必要的基础。二、教学内容和要求1课堂理论教学（48学时） 矢量分析（6学时）绪论、矢量场的通量、散度（2），矢量场的环流、旋度（1.5），标量场的梯度（1.5

2、），亥姆霍兹定理（1） 电磁场的基本物理量和基本实验定律 （5学时）电荷、电流、连续性方程（1），库仑定律、电场强度、积分公式（2），安培力定律、磁感应强度、积分公式（2） 静电场分析（11学时）真空中静电场方程（2），电位及泊松方程（2），唯一性定理、（1）介质极化、介质中的高斯定律（2），边界条件、电场能量（2），恒定电场（2） 静态场边值问题（5学时）直角坐标中的分量变量法（2），镜像法（3） 恒定磁场分析（7学时）真空中磁场的基本方程（2），矢位（1），磁介质中的场方程、边界条件（2），电感、磁能（2） 时变电磁场（5学时）电磁感应、位移电流（1.5），麦克斯韦方程、边界条件（1.5）

3、，坡印廷定理、波动方程定律动态位（2） 正弦平面电磁波（9学时）亥姆霍兹方程、平均坡印廷矢量（1），理想介质中的平面波（2），波的极化、导电媒质中的平面波（3），对分界面的垂直入射（3），斜入射（3）2习题课（4学时）*3教学基本要求 理解梯度、散度和旋度的概念，掌握其运算方法与规律。 理解电荷、电流及电流连续性方程的概念，理解电场和磁场的概念，掌握电场强度与磁感应强度的积分公式，会计算一些简单源分布所产生的场。 掌握静电场的基本方程与基本性质，掌握标量电位及其微分方程，理解静电场的惟一性定理及其重要意义，了解电介质的极化现象及其极化电荷分布，掌握静电场的边界条件，掌握恒定电场的基本方程与边界

4、条件，会计算电容、电阻以及电场能量。 了解分离变量法解题的基本步骤， 能够用分离变量法求解直角坐标中的一些简单的二维边值问题，掌握镜像法解题的基本原理，会用镜像法求解一些典型问题。 掌握恒定磁场的基本方程与基本性质，了解矢量磁位及其微分方程，理解静电场的惟一性定理及其重要意义，了解磁介质的磁化现象及其磁化电流分布，掌握恒定磁场的边界条件，会计算电感以及电场能量。 掌握电磁感应定律以及位移电流的概念，牢固掌握麦克斯韦方程并理解其深刻含义，掌握电磁场的边界条件，理解坡印廷定理意义和坡印廷矢量的概念，了解电磁波动方程和动态位。 掌握正弦电磁场复数表示方法，掌握平面电磁波在理想介质和导电媒质中的传播规

5、律，理解电磁波的极化概念，掌握平面波在两种不同媒质分界面上的反射与折射规律。 了解导行电磁波的分析方法，掌握电磁波在矩形波导中的传播特性，了解谐振腔的工作原理与特点。 理解滞后位的概念，理解电偶极子的辐射特性，了解电磁对偶原理。三、教材和参考资料1. 教材 电磁场与电磁波（第四版），谢处方、饶克谨编，赵家升等修订，高等教育出版社，2006年1月。2. 参考资料 电磁场与电磁波，冯林等编著，机械工业出版社，2004年5月。 电磁场与电磁波，杨显清等编著，国防工业出版社，2003年7月。 电磁场与电磁波（第4版）教学指导书，赵家升等编著，高等教育出版社，2006年5月。理论课程内容“电磁场与电磁波

6、”是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必修的一门技术基础课。课程所包含的内容是合格的电子、电气信息类专业本科学生应具备的知识结构的重要组成部分。近代科学技术的发展过程表明，电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础。因此，学好电磁场与电磁波课程不仅为学习专业课程准备了必要的基础知识，而且对完善自身素质、增强适应能力和创造能力长久地发挥作用。课程内容体系结构：【1】 矢量分析基础，包括标量场和矢量场概念、矢量场的通量和散度、矢量场的环流和旋度、标量场的梯度以及亥姆霍兹定理。这一部分内容为课程的数学基础内容。【2】 静态场分析，内容包括电磁场中的基本实验定律、静电

7、场分析和静态场边值问题的解法、恒定电场分析，讨论了两个基本实验定律：库仑定律和安培力定理的矢量表达形式，以及真空中和介质中静电场和恒定磁场的基本性质，同时讨论了静态场边值问题的解析解法和数值解法。【3】 时变场分析，内容包括时变场的基本方程（麦克斯韦方程组）和基本性质，重点讨论了在无界和半无界空间中正弦平面电磁波的传播特性，以及导行电磁波的传播特性。【4】 电磁波的辐射，主要讨论了电磁波的辐射原理和元天线的辐射特性课程设计特点：【1】 注重数学工具在课程中的重要性。将“电磁场与波”中涉及到的主要数学内容作为课程的第一部分，并针对学生普遍感到困难的曲线积分、曲面积分和体积分问题结合课程内容进行分

8、析归纳，这一部分学时数占整个学时的1012。【2】 尽量减少与大学物理电磁学的重复。【3】 针对不同的专业，分别采用“归纳法”和“演绎法”两种不同的教学顺序。在完成基本教学内容要求的基础上，对于通信、电子信息等专业，采用演绎法建立的公理化体系，即按演绎推理的方向，由一般到特殊的顺序组织教学内容。首先提出麦克斯韦方程，进而讨论电磁波的传播特性，把静态场作为电磁场的特殊情况来分析。这样处理可适当减少“静态场”部分学时，增加“时变场和波”部分的内容。对于电子材料与器件等专业，采用传统的“归纳法” 顺序组织教学内容，由实验定律入手讨论静态场，进而引入麦克斯韦方程讨论电磁波传播，并针对专业特点加强“静态

9、场和边值问题”的讨论。【4】 为适当提高课程的深度和适当拓展课程的广度，安排教学经验和科研经验丰富的教师开出静电场、恒定磁场、边值问题、波的传播、电磁场的能量与能流、电磁辐射等专题。针对相应内容的基本理论、基本分析方法和计算进一步讨论，并结合基本内容分析一些实际工程例子。突出重点，解决难点： 知 识 模 块重点难点矢量分析标量场的梯度、矢量场的散度和旋度；散度定理和斯托克斯定理及其应用。不同坐标系中的矢量微元、面积元和体积元；线、面和体积积分；散度、旋度的意义及亥姆霍兹定理的意义。 电磁场的基本物理量和基本实验定律电流体分布和电流面分布；电场强度和磁感应强度的积分公式的应用。电流体分布和电流面

10、分布；电场强度和磁感应强度的积分公式的应用。 静电场分析静电场基本方程及其边界条件；电位函数的引入及其满足的方程和边界条件；高斯定理和边界条件的应用；电场的能量。高斯定理和边界条件的应用；电位参考点的选择。静态场边值问题惟一性定理；直角坐标系中的分离变量法；镜像法。镜像源的确定和计算。恒定磁场分析恒定磁场的基本方程及其边界条件；矢量位函数的引入；安培环。安培环路定理和边界条件的应用；电感计算中磁链的理解。时变电磁场位移电流的引入；麦克斯韦方程和波动方程；电磁场的边界条件；坡印廷定理和坡印廷矢量；动态矢量位和标量位。位移电流的引入；坡印廷定理和坡印廷矢量的物理意义。正弦平面电磁波均匀平面波在理想

11、介质中和在损耗媒质中的传播特性；电磁波的极化特性；均匀平面波对平面分界面的垂直入射和斜入射。均匀平面波传播特性的掌握；圆极化波旋向的判定；沿任意方向传播的均匀平面波的表示、波矢量；斜入射的分析。 导行电磁波均匀导波系统中电磁波传播的特性；矩形波导中电磁波的场分布及传播特性。不同模式的传播条件。电磁波辐射滞后位的概念；电偶极子辐射场特性。滞后位的概念；电偶极子辐射的近区场和远区场。 解决办法：【1】 课程组组织多种形式的教研活动，针对课程的重点内容和学生的特点，设计多层次、多角度的讲解方式，以加深学生对重点内容的理解和掌握。例如“平面波的反射与透射”是课程的重点内容之一。在讲解方式上可

12、采用多种讲解方式，一是依照“对理想导体的垂直入射、对两种完纯介质分界面的垂直入射、对两种导电媒质分界面的垂直入射、对多层媒质的垂直入射、斜入射”的顺序进行教学，符合从简单到复杂的认识规律。也可以先讲“对两种导电媒质分界面的垂直入射”进而导出对理想到体分界面、对理想介质分界面垂直入射的特殊结论。还可以按照从一般到特殊的认识论，先讲斜入射，再总结归纳出垂直入射的特殊结论。【2】对于每一章节的重点内容，设计学生必做的论述题。例如“如何应用高斯定理和边界条件解决静电场的计算问题”、 “如何应用安培环路定理和边界条件解决恒定磁场的计算问题”、“对麦克斯韦方程组的理解和认识”、“平面波在无界空间波传播特性

13、的讨论”、“平面波反射与透射问题的分析方法和结论总结”、“电磁波在有界空间中的传播特性与在无界空间中传播特性的比较”等。【3】 利用多媒体、网络等现代化教学手段对课程中比较抽象的问题进行形象化教学，设计了“平面波的传播”、“电磁波的极化”、“驻波、驻行波的传播特点”、“电磁波的垂直入射”、“电磁波的斜入射”、“全反射现象”、“全透射现象”、“波导中电磁波的传播和模式分布图”、“天线的方向图”等多媒体教学软件，帮助学生建立形象、直观的场与波概念。【4】 精心设计例题，合理安排习题。课程组根据教学内容，设计“提示例题”、“思路分析例题”和“详细讲解例题”。教学内容安排：1 按先修课程的基础和后续课

14、程的需要，合理设置、计划和分配课堂教学的知识讲解、习题课与实验教学的学 时数，具体教学内容安排与学时分配为：课堂理论教学（48学时） 学时分配表矢量分析（6学时）绪论、矢量场的通量、散度（2），矢量场的环流、旋度（1.5），标量场的梯度（1.5），亥姆霍兹定理（1）电磁场的基本物理量和基本实验定律 （5学时）电荷、电流、连续性方程（1），库仑定律、电场强度、积分公式（2），安培力定律、磁感应强度、积分公式（2）静电场分析（11学时）真空中静电场方程（2），电位及泊松方程（2），唯一性定理、（1）介质极化、介质中的高斯定律（2），边界条件、电场能量（2），恒定电场（2）静态场边值问题（5学时）直角坐标中的分量变量