电磁场与电磁波教(学)案(2)

1、电磁场与电磁波教案学 院：电子与信息工程学院教 研室：电信基础教研室课程名称： 电磁场与电磁波任课教师：圭寸志宏学 期：授课班级：电子与信息工程学院制第1次课学时：2授课对象早节第 1 章 1.1，1.2教学目的 和要求回顾并进一步学习矢量代数的概念和运算，学习三种常用的正交坐标系（包括直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系）。由于电磁场的计算经常采用圆柱坐标系和球坐标系，所以这两种坐标系在本课程中非常基础和重要的知识点。讲授主要1.1矢量代数容1.2二种常用的正交坐标系重 点难点重点是直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系，以及三种坐标系之间的换算关系。要求掌握 知识点和/ r > L* z-r、

2、 t 厶乙、几z-r要求掌握二种坐标系之下的微积分运算，以及二种坐标系之间的换算天系分析方法1.1矢量代数A (B C) B (C A)C(A B)A (B C) (A C)B(A B)C1.2二种常用的正交坐标系1.直角坐标系教授思路，位置矢量：r exx eyyezZ采用的教 学方法和线元矢量：dlexdxeydy ezdz辅助手段， 板书设计，面兀矢量：dSx qdlydlzexdydz, dSyeydl xdlz eydxdz重点如何 突出，难点dSzezdl xdlyezdxdy如何解决， 师生互动体积元：dV dxdydz等2.圆柱坐标系xcos , ysin,zz ,0 ,0 2

3、5z位置矢量：r eezz线元矢量：dl e dedezdz面兀矢量：dS e dl dlze d dzdS e dl dlz e d dzdSzezdl dl ez d d体积元：dVd d dz3.球坐标系x r sin cos , y rsin sin ,z rsin0 r,0,02位置矢量：rerr线元矢量： dl erdr e rd e rsin d 面兀矢量：dSr erdl dl err sin d d dS e dlrdl ezrsin drddS e dlrdle rdrd体积元：dV r sin drd d作业布置1.8,1.9,1.10主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著

4、大学备注第 2次课学时：2授课对象早节第 1 章 1.3，1.4教学目的 和要求梯度、散度和旋度是构成麦克斯韦方程组的基本算子，也是计算电磁场的基本算子，所以从方向导数、通量、环流的基础上，把三个算子的物理意义和计算公式介绍并推导出来。讲授主要1.3标量场的梯度容1.4矢量场的通量和散度。重 点重点是标量场的梯度，矢量场的通量和散度以及散度定理。难点是圆柱坐标系难点和球坐标系下梯度、通量和和散度的计算。要求掌握知识点和掌握标量场的梯度，矢量场的通量和散度的物理意义和计算以及散度定理。分析方法1.3标量场的梯度直角坐标系：u e<u xu eyezu z教授思路，圆柱坐标系：u e -ue

5、 1 uu ez采用的教z学方法和 辅助手段， 板书设计，球坐标系：u er Ure1 ue1urr sin重点如何1.4矢量场的通量和散度；突出，难点 如何解决，通量A dSS师生互动等直角坐标系A dSSAxdydzAydxdz Azdxdy。A(r)dS散度I；m S散度 diVA(r)_ iim散度定理口 A dSSAdAxAyAz直角坐标系：A7 'xy"'zxyz圆柱坐标系：F(F ) FFzz1球坐标系：F (r2Fr)1-(sin F ).-(F )r rr sinr sin作业布置1.12,1.14,1.16,1.12,1.18主要参考资料电磁场与电

6、磁波锦屏编著大学备注第 3次课学时：2授课对象早节第 1 章 1.5，1.6教学目的 和要求梯度、散度和旋度是构成麦克斯韦方程组的基本算子，也是计算电磁场的基本算子，所以从方向导数、通量、环流的基础上，把三个算子的物理意义和计算公式介绍并推导出来。讲授主要1.5矢量场的环流与旋度容1.6无旋场与无散场重 点重点是矢量场的环流与旋度，无旋场与无散场，以及斯托克斯公式。难点是圆难点柱坐标系和球坐标系下环流和旋度的计算。要求掌握知识点和掌握矢量场的环流与旋度的计算公式以及斯托克斯公式。分析方法1.5矢量场的环流和旋度环流A dl直角坐标系下lAldlAxdx Aydy AzdzoA(r) dl旋度l

7、im CrotA ?oS教授思路，斯托克斯定理o A dlrotA dS采用的教CS学方法和eez辅助手段， 板书设计，直角坐标系：rotAAxyz重点如何AxAyAz突出，难点 如何解决，ee巳师生互动 等圆柱坐标系：F 丄zFFFzer rersin e球坐标系.f1丄小丄F2r sinrFr rFrsin F1.6无旋场与无散场无旋场：F 0。Qu 0 , Fu , u(P)P u dl C无散场：F 0充要条件FA。吓dS 0S(A) 0作业布置1.15,1.27,1.29主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学第4次课学时：2授课对象早节第 1 章 1.7，1.8教学目的 和要求拉普

8、拉斯运算是电磁场波动方程中的主要运算，亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质，指出研究矢量场要从场的散度和旋度着手，研究电磁场也要从电场和磁场的散度和旋度着手。讲授主要1.7拉普拉斯运算与格林公式容1.8亥姆霍兹定理重 点重点是拉普拉斯运算和亥姆霍兹定理，难点是圆柱丿坐标系和球坐标系下的拉普难点拉斯运算。要求掌握 知识点和要求掌握拉普拉斯运算。分析方法1.7拉普拉斯运算与格林公式(u)2u222直角坐标系：2uuu22u2xyz教授思路，圆柱坐标系：2u1(u)12u2u采用的教学方法和2 22 z辅助手段，球坐标系：2u1-(r2 u)rr1/ .u、1u(sin)2 . 22r sin板书设计

9、，2 r2 r sin重点如何 突出，难点 如何解决，师生互动2F( F)1.8亥姆霍兹定理(F)等F(r)u(r)A(r)1F(r )u(r)V -dV4 n V rr 1A(r)1 VF(r)dv4 n V rr作业布置主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著大学第5次课学时：2授课对象J-P 早节第 2 章 2.1,2.1教学目的和要求回顾普通物理中所学的电荷守恒定律和真空中静电场的基本规律，从梯度、散度、旋度的角度深入理解并掌握静电场的基本规律，为时变场打下基础。讲授主要 容2.1电荷守恒定律2.2真空中静电场的基本规律重 点难点重点是电荷守恒定律和静电场的基本方程，难点是高斯定理的推导。要

10、求掌握 知识点和 分析方法要求掌握电荷守恒定律， 真空中静电场的基本规律，能够根据电荷分布计算空间的电场分布。教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动 等2.1电荷守恒定律电荷体密度：(r) lim酗)dq(r)AV 0 AVdV电荷面密度：s(r) lim Aq(r) dq(r)0 ASdS电荷线密度：,(r) lim酗)dq(r)A 0 Aldl点电荷的电荷密度：(r) q S(r r )电流密度矢量：J en lim丄 en空S 0 SdSiJ dSS.idiJS en片叫 en 一'0 ldl电荷守恒定律：J,0 J d

11、SdqddVtSdtdt V恒定电流的电流连续性方程：J 0, & J dS 0S2.2真空中静电场的基本规律点电荷：E(r)qR 3 , R r r'4n 0R3体电荷：E(r)(r3)RdV4n 0 V R3面电荷：E(r)-SZ迟dS4n 0 SR3线电荷：E(r)1l(r3)Rdl4n 0 CR3静电场的基本方程1E , °SE(r) dS V (r)dV0 0E 0 , 0 E(r) dl 0C作业布置2.1,2.2,2.3主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注第 7次课学时：2授课对象早节第2章2.3教学目的 和要求讲授电介质的极化性质，包括极化电荷

12、的面密度、体密度、电介质的本构关系、电介质的基本方程。讲授主要容2.4电介质的电特性重 点难点重点是介质的本构天糸和基本万程。难点是形象的理解极化现象。要求掌握 知识点和要求掌握介质中的本构天系和基本万程,会利用基本万程求解电磁场。分析方法教授思路，2.4媒质的电磁特性电介质的极化米用的教电介质表面的极化电何面密度：SPP?en学方法和 辅助手段， 板书设计，极化电荷体密度：P?P重点如何电介质的本构关系：D_。(1e)E0 r E突出，难点 如何解决，DE 0电介质中的基本方程dl 0师生互动等。D dSdV , o ESVC作业布置2.9主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著大学交通大学教案（

13、理论教学用）第 7次课学时：2授课对象rVrt、I,早节第2章2.4教学目的和要求求解静电场问题实质上求解特定边界条件下E,D讲授主要 容2.4静电场的边界条件重 点 难点难点是边界条件的理解和掌握。要求掌握 知识点和 分析方法要求掌握介质中的本构关系和基本方程，会利用基本方程求解电磁场。2.4媒质的电磁特性教授思路，241电介质的极化米用的教电介质表面的极化电荷面密度：SPP?en学方法和辅助手段，极化电荷体密度：P?P板书设计，重点如何电介质的本构关系：D0（1e）E0 r E突出，难点如何解决，电介质中的基本方程D,E 0师生互动等D dSdV , o E dl 0SVC作业布置2.9主

14、要参考资料电磁场与电磁波锦屏编者大学交通大学教案（理论教学用）第 8次课学时：2授课对象rVrt、I,早节第 2 章 2.5, 2.6, 2.7教学目的 和要求在静态场的基础上讲授时变场的基本方程。麦克斯韦方程组是由法拉第电磁感 应定律和位移电流假说推导出来。求解电磁场问题实质上求解特定边界条件下的麦克斯韦方程组。讲授主要 容2.5电磁感应定律和位移电流；2.6麦克斯韦方程组；2.7电磁场的边界条件重 点难点重点是麦克斯韦方程组和边界条件。难点是边界条件的理解和掌握。要求掌握 知识点和 分析方法掌握麦克斯韦方程组和边界条件。2.5电磁感应定律和位移电流法拉第电磁感应定律:inddtddtsB?

15、dS教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动推广的电磁感应定律：E dlCdt sb ds，位移电流密度：JdDt全电流定律:H J D，cH dl2.6麦克斯韦方程组s(JD)dSBE tB 0DH dlC(J) dSs'tE dlCdS S tB dSS0D dSSp dVV 1本构关系：D E，B H，J2.7电磁场的边界条件边界条件：? (H1 H2) Js ,r?(巳 E2) 0? (B1 B2)0，r? (Di D2)s作业布置主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注第9次课学时：2授课对象早节第 3 章 3.1

16、,3.2教学目的 和要求讲授静电场的分析方法，电位函数，推导出电能密度和电场总能量的计算公式。讲授主要 容3.1静电场分析；3.2导电媒质中的恒定电场分析重 点 难点重点是电位函数，难点是电能密度的推导。要求掌握知识点和 分析方法3.1静电场分析3.2导电媒质中的恒定电场分析3.1静电场分析3.1.1静电场的基本万程和边界条件D基本万程：E0本构关系：DE教授思路，边界条件：en(D1D2)SD1nD2nSen(E1E2)0E1tE2t 0采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计，重点如何电位函数E点电荷：（r）qC突出，难点4|rr'l如何解决，师生互动体电荷：（r）1（r'

17、）dV'C等4V'|r r'|面电荷：（r）1(r') dS'C4S | r r'|线电荷：（r）1(r') dl'C4l|r r'|QQE dldpp(P)(Q)静电位的微分方程：2 （r） 02 121S边界条件：12 ,nn静电场的能量1电能密度：we DE21电场的总能量：We D EdV2 V3.2导电媒质中的恒定电场分析一、J 0恒定电场的基本方程：E 0本构关系：JE恒定电场的边界条件：J1n J2n，E1t E2t电位方程：0，边界条件：12,1122nn作业布置3.2,3.3主要参考资料电磁场与电磁波锦屏

18、编著 大学备注第10次欠课学时：2授课对象早节第 3 章 3.3, 3.4, 3.5教学目的介绍恒定磁场的分析方法，磁场能量密度，静态场的边值问题，唯一性定理和和要求镜像法。讲授主要 容3.3恒疋磁场分析；3.4静态场的边值冋题及解的惟一性疋理；3.5镜像法重 点 难点重点镜像法，磁场能量。要求掌握知识点和理解惟一性定理，掌握镜像法。分析方法3.3恒定磁场分析, ?B0基本万程：H J边界条件：en(Bi B2)0，en(HiH 2)J SBA,2aJ教授思路，采用的教A(r)V-J（r）dv学方法和 辅助手段，4 n磁场能量密度：R1 -B?Hwm板书设计，m2重点如何磁场的总能量：1 -W

19、m-B?HdV突出，难点2 v如何解决，3.4静态场的边值问题及解的惟一性定理师生互动等第一类边值问题（或狄里赫利冋题）:Is fi(S)第二类边值问题（或纽曼问题）：-f2(S)第三类边值问题（或混合边值问题）:|s1fl(S)，n|S2f2(S2)惟一性定理3.5镜像法作业布置3.7,3.11主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注第11次欠课学时：2授课对象早节第 4 章 4.1,4.2教学目的无源区域的电磁场经常通过波动方程来求解；有源区域的求解通过位函数求和要求解。波动方程都是通过麦克斯韦方程组推导。讲授主要容4.1波动方程；4.2电磁场的位函数重 点难点重点是波动方程。要求掌握

20、 知识点和 分析方法掌握波动方程。4.1波动方程麦克斯韦方程DB,B 0,DH J，Ett教授思路，无源区的波动方程采用的教2_2学方法和 辅助手段，2E20，t2h-H门t20板书设计， 重点如何4.2电磁场的位函数突出，难点B 0，BA如何解决， 师生互动匚A等Et位函数的波动方程：22t22A : J作业布置4.1, 4.2,4.3,4.4主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注交通大学教案（理论教学用）第12次课学时：2授课对象早节第 4 章 4.3, 教学目的和要求讲授电磁能寸恒疋律和惟一性疋理，时谐电磁场的复数表示。讲授主要 容4.3电磁能量寸恒疋律；4.4惟一性疋理；重 点难

21、点重点是电磁能守恒定律和坡印廷矢量，难点是对坡印廷定理的理解和惟一性定 理的推导。要求掌握 知识点和 分析方法掌握电磁能守恒定律和坡印廷矢量的计算，掌握时谐电磁场的复数表示。教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动 等4.3电磁能量守恒定律；、 1电场能量密度：we _ E ?D21磁场能量密度：wm _B?H2坡印廷定理的积分形式o (E H) dS (_E D - H B)dVE J dVSdt V 22V坡印廷矢量：S E H4.4惟一性定理4.5时谐电磁场时谐电磁场的复数表示E(x,y,z,t) eXEXmCOS( tx) &#

22、174;EymCOS(t y) <EZmCOS( t z),E(X,y,Z)xExm yEym QEzmExmExmej x , EymEyme , Ezm EzmeExReExmej(tx)ReExmejxejtReExmejt ,ExmExmejxEyReEyme"ty)ReEymeyejtReEymej t , EymEymd yEzReEzmej(tz)ReEzmejzejtReEzmej t , EymEymej y作业布置4.8,4.9主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学第13次欠课学时：2授课对象早节第 4 章 教学目的讲授复矢量的麦克斯韦方程、亥姆霍兹方程、

23、平均能量密度和平均能流密度矢和要求量。讲授主要，、.、一一、 复矢量的麦克斯韦万程；复电容率和复磁导率；亥姆霍兹万容程；时谐场的位函数；平均能量密度和平均能流密度矢量重 点重点是复矢量的麦克斯韦方程、亥姆霍兹方程、平均能量密度和平均能流密度矢难点量。要求掌握知识点和 分析方法要求掌握复矢量的麦克斯韦万程、 矢量。亥姆霍兹万程、平均能量密度和平均能流密度复矢量的麦克斯韦方程H mJ mj Dm,Emj Bm，Bm0，Dmm复电容率和复磁导率教授思路， 采用的教复介电常数：c' j（'一）学方法和 辅助手段， 板书设计，复磁导率：'j '1亥姆霍兹方程重点如何 突出

24、，难点2E k2E 0 ,2|Hk2H0 , k22如何解决， 师生互动时谐场的位函数等1H -A,EjA2 Ak2AJ 25k21平均能量密度和平均能流密度矢量1 *Sav Re E H , w2eav1*1* Re E ? D ,wmav Re H ? B 44作业布置4.10, 4. 11, 4. 12,4.14主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著大学第14次欠课学时：2授课对象早节第5章平面波5.1，5.1.1，教学目的 和要求讲授理想介质中的均匀平面波。讲授主要理想介质中的均匀平面波函数；理想介质中的均匀平面波的传播容特点重 点 难点重点是理想介质中的均匀平面波的传播特点。要求掌握 知

25、识点和 分析方法掌握理想介质中的均匀平面波的传播特点，能够推导电场与磁场的关系，能够求解传播常数、波长、波阻抗、波速等参数。理想介质中的均匀平面波函数波动方程：2E k2E 0， 2H k2H 0, k22教授思路，Ex(z)Ae jkzA2ejkz采用的教 学方法和理想介质中的均匀平面波的传播特点辅助手段， 板书设计， 重点如何1H 比 E，E礼H，突出，难点(?z E 0，(?z H 0如何解决，师生互动等2波数k ，波速Vp匚，波阻抗卜1 2Sez 1E |22作业布置5.1,5.2,5.3,5.4,5.5主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注第15次欠课学时：2授课对象早节第 5

26、 章 , 5.2教学目的、t r r、t-t 、 . . / . / r. tr r t / . /和要求讲授沿仕意方向传播的均匀平面波和电磁波的极化。讲授主要_、r、 . t / . / t . t -r-rf ./ f I r5.2电磁波的极化容沿仕意方向传播的均匀平面波；重 点 . t . |_r 、，r、 . t / . / r . t -r-r? r f t难点重点是沿仕意方向传播的均匀平面波以及电磁波的极化。要求掌握1-|r、 、r /. r i_t、r、 . t / . / r . trf . / r . t -r-rf 4 r. r f t-、亠、” r . t / t . t

27、 -r-r?> . , / .知识点和 分析方法要求掌握沿仕意方向传播的均匀平面波的传播特性，能够确疋波大传播方向，确定电场与磁场之间的关系，能够确定电磁波的极化方式。沿任意方向传播的平面波11H-3sE , E3S H ,feS E 0 , es H0S ?s 1 E |22教授思路， 采用的教5.2电磁波的极化学方法和Ex Exm cos( t kz1), EyEym cos( t kz2)辅助手段，板书设计，线极化：若120,，对于一个给定点上重点如何突出，难点E eXEx eyEycos( t kz1)( Exm?xE ym ?y )如何解决， 师生互动电场矢量的方向随着时间变化

28、不变，轨迹是直线。等2圆极化：若Exm EymE m ,1 2 22 2 2Ex Ey Em。电场矢量随着时间变化的轨迹是圆。3椭圆极化ExE xm cos( tkz1), Ey Eym cos( t kz2)ExE：2ExEy2cos( 21) sin ( 21)E2E2E E1 xm1 ymxm my作业布置5.6,5.7,5.8,5.11,5.12,5.14主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著 大学备注第16次课学时：2授课对象早节第 5 章 5.3,5.4教学目的 和要求讲授均匀平面波在导电媒质中的传播以及色散与群速。讲授主要 容5.3均匀平面波在导电媒质中的传播；5.4色散与群速重 点

29、 难点重点和难点是均匀平面波在导电媒质中的传播特性。要求掌握衰减常数、知识点和 分析方法要求掌握均匀平面波在导电媒质中的传播特性，会计算传播常数、波速、波长、波阻抗等参数。理解色散和群速的概念。5.3均匀平面波在导电媒质中的传播波动方程：2E kck 2 22E 0，2Hkc2H0，A ccckcj ，J 教授思路， 采用的教 学方法和kFJ1，M (-)21辅助手段，1厂vi2板书设计， 重点如何 突出，难点()2 1如何解决， 师生互动c VT，1 c| '1-|1 |4，1 arctan2等5.4电磁波的色散和群速波速（相速）v dzdt群速vdVP群速Vgg d1dVpVPd作

30、业布置5.16,5.23,5.25,5.26主要参考资料电磁场与电磁波锦屏编著大学第17次欠课学时：2授课对象早节第6 章 6.1教学目的通过分析多层介质中的平面波，掌握麦克斯韦方程中的电场和磁场间的关系，和要求运用边界条件，理解波的传播和反射。讲授主要 容6.1均匀平面波对分界平面的垂直入射重 点重点和难点是入射波、反射波的表示，以及运用边界条件确定入射波和反射波难点的振幅和相位关系。要求掌握知识点和掌握麦克斯韦万程中的电场和磁场间的天糸，运用边界条件确定场幅糸数。分析方法6.1均匀平面波对分界平面的垂直入射EiexEiOe jk1z, Hi邑 e 吩1教授思路，kiJ 11, 11采用的教

31、1学方法和 辅助手段，ErexEroejk1Z, HrErojk1 zeye板书设计，1重点如何 突出，难点巳EiEre<(Eioejk1z eejk1z)匚roD丿，如何解决， 师生互动HiLj |.1 /l jk1z l 氷忆H i Hr ey(EioeEroe )等1运用边界条件确定：Ei0Ero o ,Ei oEroEiex2jEio sin «z,H1ey 21-Eio cosk1 z作业布置6.2,6.3 , 6.5主要参考资料第18次欠课学时：2授课对象早节第7章导行电磁波7.1教学目的z表示E和H得便其它分量，理解 TEM、TE和TM要求学生掌握用 E z和H

32、模式的定义。和要求讲授主要容7.1导行电磁波概论重 点难点用Ez和H z表示E和H得便其它分量。要求掌握知识点和用Ez和H z表示E和H得便其它分量，TEM、TE和TM模式。分析方法7.1导行电磁波概论1EzHE(jL)kxy1EzH教授思路，Eyj-)采用的教kyx学方法和1HLJ(辅助手段，z.匚j-)n x2. 2 板书设计，kxy重点如何 突出，难点1HzH(zH j-)1 1 y2. 2 Vky如何解决，x师生互动三种模式（矢量波动方程的三种解）等(1) TEM 模 Ez Hz0(2) TE 模 Ez 0，Hz0(3) TM 模 Hz 0，Ez 0作业布置主要参考资料备注交通大学教案

33、（理论教学用）第19次课 学时：2授课对象早节第7章 7.2教学目的 和要求要求学生掌握矩形波导中的传输模式，传输特性，主模式。讲授主要 容7.2矩形波导重 点难点矩形波导中的TE波、TM波、传输特性、TE10波。要求掌握 知识点和 分析方法计算波导中的场分布，模式的截止与传输，传输模的特性。7.2矩形波导cmn2a)2cmn模式传输,f cmn模式截止教授思路， 采用的教 学方法和 辅助手段， 板书设计， 重点如何 突出，难点 如何解决， 师生互动 等传播常数相速vp波导波长kz(kxm)2(kyn)2kVpkz1 (；)21 (fc)主模式：截止频率最低的模式为 波导中某个行波的传输功率为TE io 模。1 * 1 P Re (E H ) dS2s厶2Zs|EtPdS /Yds矩形波导TE10模的传输功率为P老£IE10作业布置727.5,7.6主要参考资料第20次欠课学时：2授课对象早节第7章 7.5教学目的随着频率的增高，电磁波的波长接近兀件尺寸，由集中参数兀件组成的振荡回和要求路容易产生辐射，损耗增大。故采用空腔谐振器。讲授主要7.5谐振腔容重 点 难点谐振腔的主要参量：谐振频率和品质因素。要求掌握知识点和掌握谐振腔的谐振频率和品质因素。分析方法7.5谐振腔教授思路，TE 模：E