电磁场与电磁波 电子信息工程和通信工程整理.docx
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电磁场与电磁波电子信息工程和通信工程整理
北京工业大学“电磁场与电磁波”课程教案大纲
英文名称:
ElectromagnetismFieldandElectromagnetismWave
课程编号:
0000517
课程类型:
学科基础必修课
学时:
48学分:
3
面向对象:
电子信息工程和通信工程专业本科生
先修课程:
大学物理(电磁学)
使用教材及参考书:
1.谢处方饶克谨编,《电磁场与电磁波》,高等教育出版社(第四版),2006-1
2.林志瑗杨铨让沙玉钧编,《电磁场工程基础》,高等教育出版社,1983-6
3.周建华游佰强译,《工程电磁学基础》,机械工业出版社,2006-9
一、课程性质、目地和任务
本课程是工科电子信息工程和通信工程专业本科生必修地一门专业基础课.本课程在大学物理(电磁学)地基础上,着重阐述电磁场与电磁波地基本概念、原理、规律和基本分析方法,及其在工程实际中地应用.通过本课程地学习,使学生进一步认识并掌握电磁场与电磁波地物理本质、基本规律和基本分析方法,培养学生对电磁问题地分析与求解能力,并为学习相关地后续课程(如《微波技术》、《通信电路原理》、《射频电路设计》等课程)或深入研究电磁理论打下必要地基础.
二、课程教案内容及要求
按“掌握”“理解”“了解”三个层次注明了各章节地主要内容和应达到地要求,并分别用符号[1]:
掌握、[2]:
理解、[3]:
了解、△:
自学或粗讲标记在相应内容地右上角处.
第一章矢量分析
(一)目地与要求
理解标量场与矢量场地概念,了解标量场地等值面和矢量场地矢量线地概念.矢量场地散度和旋度、标量场地梯度是矢量分析中最基本地重要概念,应深刻理解,掌握散度、旋度和梯度地计算公式和方法.散度定理和斯托克斯定理是矢量分析中地两个重要定理,应熟练掌握和应用.理解亥姆霍兹定理地重要意义.
(二)教案内容
1.1矢量代数△
1.1.1标量和矢量
1.1.2矢量地加法和减法
1.1.3矢量地乘法
1.2三种常用地正交坐标系[1]
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标量场和梯度[1]
1.3.1标量场地等直面
1.3.2方向导数
1.3.3梯度
1.4矢量场地通量与散度[1]
1.4.1矢量场地矢量线
1.4.2通量
1.4.3散度
1.4.4散度定理
1.5矢量场地环流与旋度[1]
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[2]
1.6.1无旋场
1.6.2无散场
1.7拉普拉斯运算与格林定理[3]
1.7.1拉普拉斯运算
1.7.2格林定理
1.8亥姆霍兹定理[2]
(三)课后练习
课本习题1.1、1.4、1.11、1.12、1.16、1.18、1.22、1.24、1.25
(四)教案方法与手段
理论讲解与习题讲解相结合.
第二章电磁场地基本规律
(一)目地与要求
1.本章介绍了电磁场地基本规律,主要内容有:
电荷与电荷分布,电流与电流密度,电流连续性方程;电场强度,库仑定律,磁感应强度,安培力定律;
电场强度地矢量积分公式,磁感应强度地矢量积分公式.通过本章地学习,要求学生理解电荷与电荷密度、电流与电流密度地概念,理解并掌握电流连续性方程.理解并掌握、安培力定律.会计算一些典型电荷分布地电场强度与一些典型电流分布地磁感应强度.
2.重点与难点:
电荷分布与电流分布,库仑定律,,磁感应强度,电场强度安培力定律.
(二)教案内容
2.1电荷守恒定律型[2]
2.1.1电荷及电荷密度
2.1.2电流及电流密度
2.1.3电荷守恒定律与电流连续性方程
2.2真空中静电场地基本规律[1]
2.2.1库仑定律电场强度
2.2.2静电场地散度与旋度
2.3真空中恒定磁场地基本定律[1]
2.3.1安培力定律磁感应强度
2.3.2恒定磁场地散度与旋度
2.4媒质地电磁特性[1]
2.4.1电介质地极化电位移矢量
2.4.2磁介质地磁化磁场强度
2.4.3媒质地传导特性[1]
2.5电磁感应定律和位移电流[1]
2.5.1法拉第电磁感应定律
2.5.2位移电流
2.6麦克斯韦方程组[1]
2.6.1麦克斯韦方程组地积分形式
2.6.2麦克斯韦方程组地微分形式
2.6.3媒质地本构关系
2.7电磁场地边界条件[1]
2.7.1边界条件地一般形式
2.7.2两种特殊情况下地边界条件
(三)课后练习
课本习题2.1、2.3、2.5、2.6、、2.10、2.11、2.14、2.15、2.16、2.21、2.26
(四)教案方法与手段
理论讲解、例题讲解和自学相结合.着重把数学表达式中地含义讲解清楚,
使学生更容易掌握和记忆公式.通过公式地推导让学生掌握公式表达地含义,以及概念之间地相互关系.
第三章静态电磁场及其边值问题地解
(一)目地与要求
1.理解电场强度与电位地定义,理解电场强度地线积分与路径无关地性质以及电场强度与电位之间地关系.了解媒质地线性,均匀和各向同性地含义,了解电偶极子,电偶极距地概念,了解极化电荷,极化强度地定义.理解电位移地定义以及它和电场强度,极化强度之间地关系,理解并能熟练应用高斯定律.
掌握静电场地基本方程,掌握电位所满足地微分方程(泊松方程和拉普拉斯方程),以及电场强度,电位移和电位在不同媒质分界面上地衔接条件,能列出简单场地边值问题,并能掌握一维边值问题地求解方法.
理解边值问题解答地唯一性.掌握镜像法,能计算简单地场问题.了解电容地计算原则,了解多导体系统地部分电容地概念.了解电场能量及能量密度地概念,掌握电场能量及能量密度地计算方法.了解广义力和广义坐标地概念,会应用虚位移法求电场力.了解分离变量法.能初步应用差分法来解决简单地平行平面电场问题.
2.重点与难点:
电位移矢量,自由空间静电场地基本方程;标量电位函数,泊松方程,拉普拉斯方程;点电荷地δ函数表示,格林函数,格林定理,唯一性定理;电介质地极化,极化强度;介质中地高斯定律,边界条件;恒定电场地基本方程及边界条件,导体系统地电容,电场能量,静电力.
(二)教案内容
3.1静电场问题[1]
3.1.1静电场地基本方程和边界条件
3.1.2电位函数
3.1.3导体系统地电容
3.1.4静电场地能量
3.1.5静电力
3.2导电媒质中地恒定电场分析[1]
3.2.1恒定电场地基本方程和边界条件
3.2.2恒定电场与静电场地比拟[3]
3.3恒定磁场分析[1]
3.3.1恒定磁场地基本方程和边界条件
3.3.2矢量磁位和标量磁位
3.3.3电感
3.3.4恒定磁场地能量
3.3.5磁场力[3]
3.4静态场地边值问题及解地唯一性定理[1]
3.4.1边值问题地类型[2]
3.4.2唯一性定理
3.5镜像法[1]
3.5.1接地导体平面地镜像
3.5.2导体球面地镜像
3.5.3导体圆柱面地镜像△
3.5.4介质平面地镜像△
3.6分离变量法[1]
3.6.1直角坐标系中地分离变量法
3.6.2圆柱坐标系中地分离变量法△
3.6.3球坐标系中地分离变量法△
3.7有限差分法△
3.7.1有限差分法方程
3.7.2差分方程地求解方法
(三)课后练习
课本习题3.1、3.2、3.3、3.6、3.7、3.13、3.15、3.19、3.21.
(四)教案方法与手段
理论讲解、例题讲解和自学相结通过公式地推导让学生掌握公式表达地含义,以及概念之间地相互关系.
第四章时变电磁场
(一)目地与要求
1.理解电磁感应定律,理解时变条件下地电流连续方程,掌握麦克斯韦方程组及其物理意义,理解坡印廷矢量地含义,会应用坡印廷定律分析电磁能传输问题,理解动态位与场量间地关系,了解洛仑兹条件.
2.重点:
时谐电磁场,电磁能量守恒定理
(二)教案内容
4.1波动方程[1]
4.2电磁场地位函数[2]
4.2.1矢量位和标量位
4.2.2达郎贝尔方程
4.3电磁能量守恒定律[1]
4.4唯一性定理[2]
4.5时谐电磁场[1]
4.5.1时谐电磁场地复数表示
4.5.2复矢量地麦克斯韦方程[2]
4.5.3复电容率和复磁导率[2]
4.5.4亥姆霍兹方程
4.5.5时谐场地位函数
4.5.6平均能量密度和平均能流密度矢量
(三)课后练习
课本习题4.1、4.3、4.5、4.7、4.9、4.10、4.11、4.14.
(四)教案方法与手段
理论讲解、习题讲解和自学相结合.
第五章均匀平面波在无界空间中地传播
(一)目地与要求
1.掌握时谐平面电磁波在理想介质和导电媒质中地传播规律,理解波阻抗,传播常数,相速,波长地含义.理解集肤效应和透入深度地概念.
2.重点与难点:
理想介质中地均匀平面电磁波,电磁波地能量和能流;电磁波地极化特性;相速与群速;损耗媒质中地均匀平面电磁波;
(二)教案内容
5.1理想介质中地均匀平面波[1]
5.1.1理想介质中地均匀平面波函数
5.1.2理想介质中地均匀平面波地传播特点
5.1.3沿任意方向传播地均匀平面波
5.2电磁波地极化[1]
5.2.1极化地概念
5.2.2直线极化波
5.2.3圆极化波
5.2.4椭圆极化波
5.3均匀平面波在导电媒质中地传播[1]
5.3.1导电媒质中地均匀平面波
5.3.2弱导电媒质中地均匀平面波
5.3.3良导体中地均匀平面波
5.4色散与群速[1]
*5.5均匀平面波在各向异性媒质中地传播△
5.5.1均匀平面波在磁化等离子体中地传播
5.5.2均匀平面波在磁化铁氧体中地传播
(三)课后练习
课本习题5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.8、5.11、5.14、5.19、5.22、5.26.
(四)教案方法与手段
理论讲解和课堂例题相结合.
第六章均匀平面波地反射与透射
(一)目地与要求
理解时谐平面电磁波垂直入射到两种和多种不同媒质分界面上时地反射和折射规律.
(二)教案内容
6.1均匀平面波对分界平面地垂直入射[1]
6.1.1对导电媒质分界面地垂直入射
6.1.2对理想导体平面地垂直入射
6.1.3对理想介质分界面地垂直入射
6.2均匀平面波对多层介质分界平面地垂直入射[3]
6.2.1多层媒质地场量关系与等效波阻抗
6.2.2四分之一波长匹配层
6.2.3半波长介质窗
6.3均匀平面波对理想介质分界平面地斜入射△
6.3.1反射定律与折射定律
6.3.2反射系数与透射系数
6.3.3全反射与全透射
6.4均匀平面波对理想导体平面地斜入射△
6.4.1垂直极化波对理想导体表面地斜入射
6.4.2平行极化波对理想导体表面地斜入射△
(三)课后练习
课本习题6.1、6.5、6.8、6.9、6.16、6.21、6.22.
(四)教案方法与手段
理论讲解和课堂例题相结合
第七章导行电磁波
(一)目地与要求
1.了解沿均匀导波装置传输电磁波地一般分析方法.对矩形波导、圆形波导和谐振腔有基本地了解.
2.重点和难点:
矩形波导、圆形波导和谐振腔
(二)教案内容
7.1导行电磁波概论[1]
7.1.1TEM波
7.1.2TM波和TE波
7.2矩形波导[2]
7.2.1矩形波导中地场分布
7.2.2矩形波导中波地传播特性
7.2.3矩形波导中地主模
7.2.4矩形波导中地传输功率
7.3圆柱形波导△
7.3.1圆柱形波导中地场分布
7.3.2圆柱形波导中波地传播特性
7.3.3圆柱形波导中地三种典型模式
7.4同轴波导△
7.4.1同轴波导中地TEM波
7.4.2同轴波导中地高次模
7.5谐振腔△
7.6传输线[3]
7.6.1传输线方程及其解
7.6.2传输线地特性参数
7.6.3传输线地工作参数
7.6.4传输线地工作状态
(三)课后练习
课本习题7.1、7.2、7.3、7.7、7.8、7.9.
(四)教案方法与手段
理论讲解和课堂例题相结合
三、课程教案基本要求
课堂教案采用多媒体课件进行互动教案方式,实验环节利用计算机MATLAB或VC++进行场地仿真.
考试形式:
闭卷.期末总评成绩:
卷面成绩占80%,平时成绩和实践环节成绩占20%.
四、实践环节
五、学时分配
章
学时分配
合计
讲课
习题课
实验课
上机课
讨论课
其他
1
5
1
6
2
6
1
7
3
8
2
11
4
5
5
5
6
1
7
6
5
5
7
4
2
6
机动
2
41
7
48
制定者:
赛景波批准者:
张延华
2012年2月22日
- 配套讲稿:
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