《电动力学》课程教学大纲

《电动力学》教学大纲一、课程基本信息课程名称电动力学Electrodynamics课程编码SCC521011040开课院部理学院课程团队电动力学教学团队学分4.0课内学时64讲授64实验0上机0实践0课外学时64适用专业应用物理学授课语言中文先修课程高等数学（2-1）、高等数学（2-2）、电磁学、线性代数、数学物理方法及应用课程简介（必修）本课程属于应用物理学专业的专业必修课程。本课程在电磁学的基础上系统地阐述经典电动力学和相对论电动力学的基本概念、原理及处理问题的方法。课程内容包括：静电场，稳恒电流的磁场，随时间变化的电磁场，电磁波的传播，电磁波的辐射，狭义相对论，带电粒子和电磁场的相互作用。着重介绍恒定电磁场的基本性质和求解电场和磁场问题的基本方法；着重讨论电磁波的传播，包括无界空间中的电磁波的性质、界面上的反射折射以及有界空间中的电磁波问题；介绍一般情况下电磁势的概念和辐射电磁场的计算方法；系统地阐述狭义相对论的时空观及相对论电动力学和相对论力学的基本理论；讨论带电粒子和电磁场的相互作用和运动带电粒子辐射场的处理方法。通过该课程的教学，使学生系统掌握电磁相互作用的基本规律，理解电动力学的基本思想和基本数学方法，初步掌握处理有关电磁系统的各类实际问题的典型方法，培养学生解释、质疑、评价电动力学领域基本现象的能力；培养学生的创新精神，训练创新思维，培育创新实践能力和科学研究能力，为今后进一步学习和从事研究工作打下理论基础。Thiscourseisarequiredcourseforappliedphysics.Itsystematicallyexpoundsthebasicconcepts,principlesandmethodsofdealingwithclassicelectrodynamicsandrelativisticelectrodynamicsonthebasisofelectromagnetics.Thetopicsincludeelectrostaticfield,magneticfieldgeneratedbysteadycurrent,time-varyingelectromagneticfield,electromagneticwavepropagationandradiation,thetheoryofspecialrelativity,theinteractionbetweenchargedparticlesandelectromagneticfield.Itfocusesonthefundamentalpropertiesofconstantelectromagneticfieldandthebasicmethodsforsolvingelectricfieldandmagneticfield.Thepropagationofelectromagneticwaveisdetailed,whichincludesthepropertyofelectromagneticwaveandtheinterfacialreflectionandrefractionininfinitespace,aswellasinconfinedspace.Inaddition,theconceptofelectromagneticpotentialandcalculationmethodsofradiatedelectromagneticfieldareintroduced.Thespace-timeviewofspecialrelativity,thebasiclawofrelativisticelectrodynamicsandrelativisticmechanicsaresystematicallyexpounded.Theinteractionbetweenchargedparticlesandelectromagneticfieldandtheprocessingmethodsofradiationfieldgeneratedbymovingchargedparticlearealsodiscussed.Throughtheteachingofthiscourse,studentsrequiredtocompletelyknowwellaboutthebasiclawofelectromagneticinteractionandunderstandingthebasicideasandmathematicalmethodsofelectrodynamics,andsimplyknowaboutthetypicalmethodsfordealingwithvariousrealityproblemsinelectromagneticsystems,whichwillbringuptheabilityofstudentstoexplain,questionandevenevaluatethebasicphenomenaofelectrodynamics.Bymeansofstudyingthecourse,developingtheinnovativespiritandinnovativethinking,andbringinguptheabilityofinnovativepracticeandscientificresearchofstudents,whichlayatheoreticalfoundationforfurtherstudyandresearchworkinthefuture.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：系统掌握电磁相互作用的基本规律，理解电动力学的基本思想和基本数学方法，初步掌握处理有关电磁系统的各类实际问题的典型方法，培养学生解释、质疑、评价电动力学领域基本现象的能力。通过课程学习，培养学生创新精神，训练创新思维，培育创新实践能力和科学研究能力，为今后进一步学习和从事研究工作打下理论基础。是9.19.12M2目标2：保证课堂正常秩序否3M3目标3：使用网上资源的人数>60%否三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第一章矢量分析和场论基础矢量的运算////21.1矢量及其运算矢量的表示方法，标量积和矢量积，三重积M10.5讲授0.5作业31.2标量场的梯度标量场的等值面，方向导数，标量场的梯度M10.5讲授0.5作业41.3矢量场的散度矢量场的矢量线，通量和散度的概念，矢量场的通量与散度，矢量场散度的表达式M11讲授1作业51.4矢量场的旋度矢量场的环量，环量面密度，矢量场的旋度，矢量场旋度的表达式M11讲授1作业61.5哈密顿算符及其恒等式哈密顿算符，关于哈密顿算符的计算公式，应用举例M11讲授1作业71.6广义正交曲线坐标系广义正交曲线坐标系的基本概念，正交曲线坐标系中长度元、面积元和体积元，直角坐标系，圆柱坐标系，球坐标系，正交曲线坐标系中梯度的计算公式，正交曲线坐标系中散度的计算公式，正交曲线坐标系中旋度的计算公式，正交曲线坐标系中u的拉普拉斯算符的计算公式M11.5讲授1.5作业81.7积分变换公式高斯散度定理，斯托克斯定理，格林定理0.5讲授0.5作业91.8狄拉克函数狄拉克函数的性质M10.5讲授0.5作业101.9并矢与张量并矢与张量的计算M11讲授1作业111.10亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理的内容M10.5讲授0.5作业12第二章静电场电势及其微分方程，对静电问题的理解////132.1真空中静电场的基本方程库仑定律，电场强度，静电场的散度，静电场的旋度M11讲授1作业142.2真空中静电场的势及微分方程电势，电势的叠加原理，电势的微分方程，应用举例M11讲授1作业152.3电介质中静电场的基本方程电介质，极化介质中的体分布偶极子产生极化电场的观点，极化介质中的束缚电荷产生极化电场的观点，电位移矢量D，电介质中静电场的旋度M12讲授2作业162.4静电场中不同电介质分界面上的边值关系电位移法线分量的边值关系，电场强度切向分量的边值关系M12讲授2作业172.5静电场的能量连续带电体的静电能，用场量表示的静电能M12讲授2作业182.6电多极矩及其与外加场的相互作用电势的多极展开，电四极矩，应用举例，电荷体系在外电场中的能量M12讲授2作业19第三章静电场边值问题的求解方法静电场的边值问题////203.1静电场边值问题的数学模型静电势的微分方程——泊松方程，边值关系，边值问题的正确提法M11讲授1作业213.2唯一性定理唯一性定理M11讲授1作业223.3电象法点电荷对接地无限大平面导体的电象，关于电象法的初步认识M12讲授2作业233.4分离变量法直角坐标系中的分离变量法，球坐标系中的分离变量法M12讲授2作业24第四章稳恒电流的磁场磁矢势和磁标势的求解////254.1稳恒电流场的基本方程电流密度矢量，电流的连续性方程，稳恒电流场的基本方程，稳恒电流场电势的微分方程M11讲授1作业264.2稳恒电流的边值问题不同导电媒质分界面上的边值关系，稳恒电流场边值问题的求解方法M11讲授1作业274.3真空中恒定磁场的基本方程安培定律，磁感应强度B，磁场的通量与散度，磁场的环量与旋度M11讲授1作业284.4恒定磁场的矢势磁矢势，磁矢势的规范变换，磁矢势A的微分方程，磁矢势A的物理意义M11讲授1作业294.5磁介质中恒定磁场的基本方程磁化强度矢量，磁介质中磁矢势A的微分方程M11讲授1作业304.6恒定磁场中不同磁介质分界面上的边值关系B的法向分量的边值关系，H的切向分量的边值关系，磁矢势A的边值关系M11讲授1作业314.7磁标势磁荷观点磁标势及其存在条件，铁磁介质中的磁场，磁荷观点，磁标势的微分方程，磁标势的边值关系及定解条件M12讲授2作业324.8磁场的能量磁场的能量，用场量表示储能M11讲授1作业334.9磁多极矩的磁场磁矢势的多极展开，磁偶极矩的场和磁标势，小区域内电流分布在外磁场中的能量M11讲授1作业34第五章时变电磁场的普遍规律宏观电动力学的基本方程的推导////355.1麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式法拉第电磁感应定律，位移电流，麦克斯韦方程组，介质的电磁性质方程，洛伦兹力公式M11讲授1作业365.2时变电磁场的边值关系场矢量D和B法线分量在两不同介质分界面上的边值关系，场矢量E和H切向分量在两不同介质分界面上的边值关系M11讲授1作业375.3电磁场的能量守恒定律电磁场的功率，电磁场和电荷系统的能量守恒定律的一般形式M12讲授2作业38第六章电磁波的传播平面电磁波的概念与数学描述////396.1均匀平面电磁波在理想介质中的传播时谐电磁场，电磁场的波动方程，波动方程的解，k,E,H三个矢量之间的关系，理想介质中电磁波的性质M12讲授2作业406.2均匀平面电磁波在两种理想介质分界面上的反射和折射反射定律和折射定律，振幅关系——菲涅耳公式，菲涅耳公式的几个推论M11讲授1作业416.3均匀平面电磁波在导电介质中的传播波动方程的解，导电介质中电磁波的性质，M11讲授1作业426.4导行电磁波双导体传输线，矩形波导，矩形波导中导行波的横向分布函数，矩形波导中TEmn和TMmn波场的表达式，截止频率，矩形波导中的主模—TE10波M11讲授1作业436.5谐振腔谐振腔M11讲授1作业44第七章电磁波的辐射时变电磁场的势函数，电偶极子辐射场////457.1时变电磁场的矢势和标势时变电磁场的矢势和标势，规范变换与规范不变性，达朗贝尔方程，达朗贝尔方程的解——推迟势M11讲授1作业467.2电偶极子的辐射计算辐射场的一般公式，电偶极子的电磁场，电偶极子的近区电磁场，电偶极子的远区电磁场，磁偶极子辐射M11讲授1作业477.3多极辐射推迟势的多极展开，磁偶极子与电四极子辐射M11讲授1作业487.4电磁波的衍射衍射问题，基尔霍夫公式，惠更斯-菲涅尔原理，小孔衍射M11讲授1作业497.5电磁场的动量电磁场的动量密度和动量流密度，辐射压力M12讲授2作业50第八章狭义相对论狭义相对论的基本原理以及时空理论////518.1狭义相对论的实验基础牛顿力学与伽利略相对性原理，电磁现象与经典力学原理的矛盾，寻找绝对参考系的实验——迈克尔逊-莫雷实验M11讲授1作业528.2狭义相对论基本原理与相对论时空观狭义相对论的基本原理，洛伦兹变换，速度变换公式，相对论的时空观M11讲授1作业538.3洛伦兹变换的四维形式三维空间的正交变换，物理量按空间变换性质的分类，洛伦兹变换的四维形式M12讲授2作业548.4相对论电动力学四维电流密度矢量及四维形式的电流连续性方程，四维势矢量及四维形式的势方程，电磁场张量，麦克斯韦方程组的协变形式，电磁场的变换，四维洛伦兹力密度矢量和电磁场应力能量动量张量，电磁场的不变量，平面波的相位不变性和四维波矢量M12讲授2作业558.5相对论力学基础四维速度矢量，四维动量矢量，质能关系，能量-动量关系，四维力矢量，相对论力学方程，洛伦兹力M12讲授2作业56第九章带电粒子和电磁场的相互作用带电粒子的电磁场理论，带电粒子辐射问题的分析方法////579.1任意运动带电粒子的势和辐射电磁场任意运动带电粒子的势，运动带电粒子的电磁场，匀速直线运动带电粒子的电磁场，加速运动带电粒子的辐射电磁场，任意加速运动的高速带电粒子的辐射总功率，相对论性的李纳辐射公式M12讲授2作业589.2带电粒子的电磁场对离子本身的反作用电子的电磁质量和经典半径，辐射阻尼力与亚伯拉罕-洛伦兹方程M12讲授2作业599.3谐振电子的辐射阻尼和光谱线的自然宽度谐振电子的辐射阻尼，光谱线的自然宽度M12讲授2作业四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1.每周布置4~5道题目，平均每次课2道题以上。2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生对电动力学基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。题型主要有证明、计算题等。20%2大作业1.课程结束后撰写一篇课程总结和体会，以加深对所学知识的系统性理