电磁场与电磁波-教学大纲-2022版

《电磁场与电磁波》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称(中文)电磁场与电磁波(英文)ElectromagneticFieldandElectromagneticWave课程代码TMP1060课程性质工程基础课(必修)开课院部物理与光电工程学院课程负责人课程团队授课学期第四学期学分/学时3学分/48学时课内学时48理论学时48实验学时0实训（含上机）0实习0其他0适用专业电子科学与技术授课语言中文对先修的要求先修课程《高等数学》、《大学物理》、《电路》、《数学物理方法》。对后续的支撑对《微波技术》、《短距离无线通信技术》、《半导体物理》、《传感器技术》、《光伏器件及应用》和《显示与照明》等后续课程提供必要的电磁场与电磁波理论知识。课程简介本课程系统介绍了经典电磁理论和电磁波的基本原理，重点讲述如何解决电磁场问题，以及电磁波的传播规律、技术特点和应用领域。作为电子科学与技术专业的一门重要基础课程，该课程是射频电子技术、无线通信技术和光电子技术的理论基础。本课程将采用基础理论讲解、应用例子剖析和课堂讨论相结合的教学方式，目的在于充分发挥学生学习本课程的主动性，使其较好地理解理论知识并掌握相关问题的解决方法。Thiscoursesystematicallyintroducesthefundamentaltheoryofclassicelectromagneticsandelectromagneticwave,andfocusesonhowtosolvetheelectromagneticfieldproblemsandthebasiclaws,characteristics,applicationsofelectromagneticwave.AsanimportantfundamentalcourseofElectronicScienceandTechnologymajor,thecourseisthetheoreticalbaseofRFelectronictechnologies,wirelesscommunicationtechnologiesandphotoelectronictechnologies.Thecoursewilladoptteachingmethodsofbasictheoryexplanation,applicationexampleanalysisandclassroomdiscussion,thepurposeistogivefullplaytotheinitiativeofstudentsinlearningthecourse,sothattheycanunderstandthetheorywellandmastermethodsofsolvingrelatedproblems.二、课程目标及对毕业要求观测点的支撑序号课程目标支撑毕业要求观测点毕业要求1目标1：使学生学会对静态电磁场和电磁波传播问题进行建模并求解；观测点1.2能够针对电子科学与技术领域的具体对象建立数学模型并求解。毕业要求1.能够将数学、自然科学、工程基础、专业知识用于解决电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题。2目标2：培养学生对电子器件和应用电子系统中涉及的电磁问题进行分析的能力。观测点2.2能够运用数学、自然科学和电子科学技术专业知识对分解的电子器件和应用电子系统复杂工程问题进行分析和表达。毕业要求2.能够应用数学、自然科学和电子科学技术的基本原理，并通过查阅文献和借助仿真软件等手段，对电子器件和应用电子系统方面的复杂工程问题进行识别、表达和分析，以获取有效结论。三、课程教学内容及学时分配章节学时教学内容学生学习的预期成果教学与评价方式支撑课程目标第一章6绪论/矢量分析重点：三种正交坐标系；梯度、散度、旋度的计算；无旋场、无散场；难点：梯度、散度、旋度的物理意义思政导入：1.讲述我国古代对电和磁的认识，提高学生的文化自信和民族自豪感。2.讲述电磁学的发展历史，让学生体会前辈科学家勇于探索，刻苦钻研的精神。1.掌握标量场和矢量场的概念及其运算法则；2.掌握标量场的梯度和矢量场的通量、散度、旋度的定义，及其在三种常用的正交曲线坐标系中的表示形式。1.基本概念讲解；2.课堂讨论：（1）大学物理中常见的标量场与矢量场有哪些？（2）梯度与等值面的关系？（3）有散与无散的差别？（4）有旋与无旋的差别？（5）柱坐标和球坐标是否属于“正交曲线坐标”？3.课后作业/章节小测。目标1第二章10电磁场基本规律重点：电流连续性方程，三大实验定律，麦克斯韦方程组难点：极化、磁化的理解和计算思政导入：1.讲述法拉第自学成才的故事，激励学生积极进取。2.通过介绍麦克斯韦方程组的建立过程，向学生展示一个新的物理理论的建立不是一朝一夕的，是很多科学家长期积累，厚积薄发的结果。以此帮助学生树立正确的科学观。了解电磁现象和电磁场规律；掌握经典电磁场的基础理论及其数学表述。1.电磁现象解释和基础理论讲解；2.课堂讨论：（1）位移电流与传导电流的差异性？（2）涡旋电场与电荷产生的电场的差异性？（3）极化电荷与自由电荷的差别？（4）电磁介质中存在哪几种类型的电流？（5）利用麦克斯韦方程推导电磁场边界条件有何规律？3.课后作业/章节小测。目标1第三章12静态电磁场边值问题的解决方法重点：静电场、恒定电场和静磁场；唯一性定理；镜像法，分离变量法难点：镜像法，分离变量法掌握静电场、恒定电场和静磁场等静态电磁场问题的分析方法；掌握静态电磁场问题的镜像法和分离变量法；了解一些静态电磁场问题的应用背景和有关结论。1.讲授静态电磁场问题的一些求解方法；2.课堂讨论：（1）引入标势和矢势的前提是什么？（2）镜像法的应用范围？（3）分离变量法的应用范围？以及解的表示形式？3.课后作业/章节小测。目标1目标2第四章6时变电磁场重点：波动方程，能量守恒定律时谐电磁场难点：时谐电磁场的复数计算思政导入：简单总结类比法在相关课程和历史中的应用，引导学生通过类比电荷和能量的方法来理解能流等概念，并引导学生导出能量守恒定律，使学生体会到类比法可能导向科学发现和规律。了解时变电磁场的特点、规律和引入位函数的过程；掌握时谐电磁场的复数形式、复矢量波动方程和复波矢，以及复矢量场和平均能流密度的计算方法。1.讲解时变电磁场中引入标势和矢势的过程、两种“规范”和达朗贝尔方程，重点讲述时谐电磁场的复数形式及相关基础理论；2.课堂讨论：（1）电磁场复矢量与正弦稳态电路中的相量有何不同？（2）复电容率的定义和复波矢的含义？（3）平均能量密度和平均能流密度的计算方法？3.课后作业/章节小测。目标1第五章6均匀平面波在无界空间中的传播重点：均匀平面波的在理想介质和导电媒质中的传播特点；电磁波的极化难点：导电媒质中的传播特点思政导入：讲述赫兹验证电磁波的实验过程中发现光电效应的历史故事，引导学生学习科学家严谨审慎的科学精神。了解电磁波的特点及其在各种均匀媒质中的传播规律；掌握有关均匀平面电磁波和电磁波极化的概念及其数学表述；理解相速、群速和色散的含义。1.讲解均匀平面电磁波的传播规律，以及电磁波极化类型、相速、群速和色散的定义；2.课堂讨论：（1）极化波的合成与分解。（2）相速和群速的区别？（3）色散的原因及其对信号传输的影响？3.课后作业/章节小测。目标1目标2第六章8均匀平面波的反射和透射重点：折射、反射定律；均匀平面电磁波在交界面处的反射系数和透射系数的计算方法；全反射，全透射难点：均匀平面电磁波对理想导体平面的斜入射思政导入：简述折射定律发现的过程，引导学生体会科学史发展的一个重要范式即反复实验-发现规律-数学表述，让学生能够真切感受到科学研究的严谨性、踏实性、规范性。了解电磁波在不同媒质交界面处的传播规律，以及反射定律、折射定律和全反射的物理机理；掌握均匀平面电磁波在交界面处的反射系数和透射系数的计算方法，以及多层介质的反射和透射问题的求解方法；了解一些典型工程应用例子和结论。1.讲解电磁波的反射定律、折射定律和全反射的物理机理；推导垂直入射和斜入射时反射系数和折射系数的计算公式，并介绍一些典型应用例。2.课堂讨论：（1）什么情况下，反射波会出现半波损失？（2）菲涅尔公式是否可用于垂直入射情况？（3）全反射时，反射波的相位和极化类型有何变化？3.课后作业/章节小测。目标1目标2合计48四、课程考核序号课程目标（支撑毕业要求观测点）考核内容评价依据及成绩比例(%)成绩比例(%)章节小测验作业/报告考试1目标1：使学生学会对静态电磁场和电磁波传播问题进行建模并求解；（支撑观测点1.2）（1）是否能够系统掌握经典电磁场的基础理论知识。（2）能否运用经典电磁场理论分析和求解静态场以及电磁波传输问题。51550702目标2：培养学生对电子器件和应用电子系统中涉及的电磁问题进行分析的能力。（支撑观测点2.2）能否对电子器件和应用电子系统中涉及到的电磁场的分布和电磁波传输问题进表达、分析和求解。552030合计102070100注：各类考核评价的具体评分标准见《附录：各类考核评分标准表》五、教材及参考资料1.教材《电磁场与电磁波》，谢处方，饶克瑾编，北京：高等教育出版社，2019，第5版。2.主要参考书[1]DavidK.Cheng编著，何业军等翻译，《电磁场与电磁波》（第2版），清华大学出版社，2013年2月出版[2]\o"焦其祥"焦其祥编，《电磁场与电磁波》（第二版），科学出版社，2015年12月出版。[3]\o"焦其祥"焦其祥编，《电磁场与电磁波习题精解》，科学出版社，2015年12月出版。[4]杨儒贵编，《电磁场与电磁波》（第2版），高等教育出版社，2013年6月出版。[5]金立军编，《电磁场与电磁波》，中国电力出版社，2012年3月出版。[6]冯恩信编著，《电磁场与电磁波》（第3版），西安交通大学出版社，2010年12月出版。[7]王家礼等编著，《电磁场与电磁波》（第三版），西安电子科技大学出版社，2009年8月出版。[8]王谋，孟浩，编，《电磁场与电磁波（第四版）同步辅助及习题全解》，水利水电出版社，2013年8月出版。[9]胡友秋等编著，《电磁学与电动力学（第二版）》.科学出版社,2014年6月出版。.六、教学条件多媒体教室附录：课程考核评分标准课程考试评分标准教学目标要求评分标准权重（%）90-10080-8960-790-59目标1：使学生学会对静态电磁场和电磁波传播问题进行建模并求解。正确理解电磁现象,完全掌握经典电磁场与电磁波的理论知识，完全掌握电磁场的分布和电磁波的传输问题。较好掌握经典电磁场与电磁波的理论知识及其应用领域，在考核中能正确解答大部分的基础理论题。基本掌握经典电磁场与电磁波的理论知识及其应用领域，在考核中能正确解答一半以上基础理论问题。还没系统掌握经典电磁场与电磁波的理论知识，在考核中一半以上基础理论题不会解答。70目标2：培养学生对电子器件和应用电子系统中涉及的电磁问题进行分析的能力。掌握电磁场与电磁波问题的解决方法，并在考核中能正确解答所有电子器件和电子系统中涉及到的相关问题。较好掌握电磁场与电磁波问题的解决方法，在考核中能解答大部分电子器件和电子系统中涉及到的相关问题。基本掌握电磁场与电磁波问题的解决方法，在考核中能解答一半以上电子器件和电