《电磁场与电磁波》教学大纲.docx
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《电磁场与电磁波》教学大纲
《电磁场与电磁波》教学大纲
一、课程基本信息
1.课程英文名称:
ElectromagneticFieldsandWave
2.课程类别:
专业基础课
3.课程学时:
总学时:
64,实验学时:
8
4.学分:
4
5.先修课程:
高等数学、大学物理、数学物理方程
6.适用专业:
电子信息科学与技术、应用物理学等专业
7.大纲执笔:
电子信息科学与技术教研室韦国晖
8.大纲审批:
理学院学术委员会
9.制订时间:
2006年10月
二、课程目的与任务
《电磁场与电磁波》课程是物理、电子信息类各专业的基础课,它包括电磁场和电磁波两个方面的基本概念和基本理论,通过本课程的教学,阐明电磁场的基本概念、基本规律和基本分析计算方法,使学生获得电磁场与电磁波的基本理论和应用理论解决问题的能力,获得与场相关的分析计算方法。
为微波技术、天线与电波、微波通信等课程奠定理论基础。
《电磁场与电磁波》这门课程的理论性较强,概念较抽象,应用的数学知识较多,因此学习该课程的学生应具备高等数学、矢量分析、数理方程以及电磁学等相关课程扎实的数理基础。
三、课程基本要求
通过本课程的学习,应使学生掌握电磁场的基本性质、位函数的描述以及不同介质分界面的边界条件等;掌握平面电磁波的传播规律;理解基本振子的电磁波辐射、天线的电参数;理解导行电磁波的传播特性;了解场的边值问题和解的唯一性定理,掌握电磁场的比拟法、分离变量法、镜象法、虚位移法等基本分析计算方法;了解电磁场与电磁波在现代科学技术中的应用以及发展动态。
四、教学内容、要求及学时分配
(一理论教学:
(56学时
第一部分矢量分析(8学时)
1.建立场的概念:
矢量场、标量场。
2.理解散度、旋度、梯度概念,理解矢量场的两个恒等式,掌握在直角坐标系中的相关计算。
3.理解两个定理:
高斯散度定理、斯托克斯定理,能进行相关计算。
4.理解亥姆霍兹定理。
5.了解球坐标、圆柱坐标,了解不同坐标系间的转换关系,了解散度、旋度、梯度在不同坐标系中的表达式,能正确应用。
6.了解矢量运算恒等式,能正确应用。
第二部分电磁场的基本规律(8学时)
1.知道电荷、电流密度的定义方法,掌握电荷守恒定律和电流连续性方程。
2.掌握真空中静电场和恒定磁场的基本规律,知道它们的推导方法。
3.理解媒质的电磁特性,掌握电位移矢量和磁场强度的引入方法和理由。
4.理解法拉第电磁感应定律,知道它的积分和微分表达式的推导,理解表达式的含义;知道位移电流引入的原因和历史背景,并掌握它的计算方法。
5.理解并掌握麦克斯韦方程组的微分和积分形式,并知道它的不完备性,需要媒质的本构关系和电流连续性方程作为补充,知道它的重要性和历史意义。
6.知道边界条件的用途,并掌握它的一般形式的推导方法,掌握特殊情况下的边界条件,知道其物理意义。
第三部分静态电磁场(16学时)
(一)静电场(5学时)
1.掌握静电场基本方程的建立和表达式,理解它的物理意义,能进行一些基本运算。
2.理解静电场电位概念的引出,掌握其定义,理解电位满足的泊松方程或拉普拉斯方程,能正确运用直接积分法求其解。
3.掌握不同介质分界面上的边界条件,并能正确运用。
4.了解部分电容及多导体系统的电容网络。
5.理解静电能量的两种表达式,掌握电容器储存的电能表达式,掌握电场能量分布表达式——电场能量体密度。
了解用虚位移法求静电力。
(二)恒定电场(3学时)
1.掌握欧姆定律的微分形式、焦耳的热功率密度。
2.掌握恒定电场基本方程的建立及表达式,理解它的物理意义,能进行一些基本运算。
理解恒定电场电位满足的拉普拉斯方程。
3.掌握不同导电媒质分界面的边界条件,并能正确运用。
4.理解静电比拟法,能应用该方法进行相关计算。
(三)稳恒磁场(4学时)
1.掌握稳恒磁场基本方程的建立及表达式,理解它的物理意义,能进行一些基本运算。
2.理解矢量磁位的引出与定义,理解矢量磁位满足的泊松或拉普拉斯方程。
3.理解标量磁位的引出与定义,了解标量磁位的适用范围,理解标量磁位满足的拉普拉斯方程。
4.掌握不同磁介质分界面上的边界条件,并能正确运用。
5.了解载流电路的电感,能计算简单电路的电感,了解聂以曼公式。
6.理解稳恒磁场能量的两种表达式,理解载流系统具有的磁能表达式,掌握磁场能量分布表达式——磁场能量体密度。
学习用虚位移法求磁力。
(四)边值问题(4学时)
1.了解边值问题的分类,了解格林公式,理解解的唯一性定理。
2.理解镜象法的实质和解决问题的思路,掌握平面、球面和圆柱面的镜象法,能进行相关计算。
3.学习用分离变量法对位函数的拉普拉斯方程的求解,能进行在直角坐标系、柱坐标系和球坐标系中的计算。
第四部分电磁场与电磁波(24学时)
(五)时变电磁场(6学时)
1.理解时变电磁场的能量与能流——坡印廷矢量、坡印廷定理。
2.掌握时变电磁场中不同介质分界面的边界条件及应用。
3.能推导在无源空间中时变电磁场所满足的波动方程,理解其意义。
4.掌握谐变电磁场的复数表达形式,能写出谐变电磁场的麦克斯韦方程组复数形式,能推导在无源空间中谐变电磁场的亥姆霍茨方程,掌握平均坡印廷矢量及计算,理解复坡印廷定理。
5.理解时变电磁场的动态位的定义,理解动态位所满足的达朗贝尔方程。
(六)谐变平面电磁波(10学时)
1.掌握无限大理想介质中均匀平面电磁波的传播特性,掌握描述波传播特性的参量——相位常数、相速、波长、波阻抗等,能正确写出均匀平面电磁波的表达式,能计算平均坡印廷矢量。
2.理解波的极化特性,能判断平面电波的极化方式。
3.理解损耗介质中平面电磁波的传播特性及传播特性参量,特别是在良导体和弱损耗介质中,并与理想介质中的传播特性进行比较。
了解趋肤效应、表面阻抗和电磁屏蔽。
了解损耗介质中的色散现象,了解相速与群速。
4.能运用边界条件,得到对平面分界面垂直入射情况下的反射和折射,掌握反射系数、折射系数表达式及间的关系,理解入射、反射与折射间的能量关系,理解驻波现象与驻波比。
5.了解对平面分界面斜入射情况下的反射和折射,理解全透射与全反射发生的条件,了解其应用。
(七)电磁波辐射(4学时)
1.了解达朗贝尔方程的积分解形式,理解动态位是滞后位的物理意义。
2.理解电基本振子的辐射场分布,特别是远区辐射场的分布特性,了解辐射电阻。
3.了解对偶原理,由电磁对偶关系了解磁基本振子的辐射场分布。
4.理解天线的电参数:
辐射方向图、方向性系数、辐射效率、增益系数等。
(八)导行电磁波(4学时)
1.理解对沿均匀导波装置传播的电磁波一般特性分析,理解波传播的三种形式:
、
与
,及相关传播参数。
2.理解利用分离变量法求解矩形波导的边值问题,以及根据边界条件求解矩形波导中的场分布
、
模式,理解截止频率与截止波长,理解
、
模式的特性,特别是矩形波导中的
波。
了解波导中的色散问题。
3.了解圆柱波导中波传播的特性。
4.了解谐振腔的基本特性:
模式、谐振频率、场分布及谐振腔的品质因数。
(二实验教学(8学时
实验一电磁波反射观察及波长测量验证型2学时
实验目的:
学会一种测量电磁波波长的方法;通过对电磁波反射的观察和波长的测量加深对平面电磁波的认识和理解;熟悉简易微波仪器的使用。
仪器设备:
微波分光计、三厘米固态信号源等。
实验二利用微波迈克尔逊干涉测电磁波波长、相移系数及介电系数的测量验证型3学时
实验目的:
学会利用迈克尔逊原理测量电磁波波长;学会一种测量相移系数及介电系数的测量方法;通过对相移系数及介电系数的测量加深对电介质中的电磁波的传播特性的认识和了解;熟悉简易微波仪器的使用。
仪器设备:
微波分光计、三厘米固态信号源等。
实验三电磁波极化研究验证型3学时
实验目的:
研究直线极化波的产生和特点;研究圆极化波的产生和特点;研究椭圆极化波的产生和特点;通过对三种极化波的研究加深对电磁波极化特性的认识和理解。
仪器设备:
微波分光计、三厘米固态信号源等。
五、考试考核办法
总成绩由笔试成绩(70%)、平时成绩(10%)、实验(20%)综合评定。
六、教材和参考书
(一)教材
[1]谢处方等,《电磁场与电磁波》,高等教育出版社,2006年4版。
(二)参考书
[1]王蔷等,《电磁场理论基础》,清华大学出版社,2001年1版。
[2]杨显清等,《电磁场与波》,国防工业出版社,2003年1版。
[3]蔡圣善等,《电动力学》,高等教育出版社,2002年2版。
[4]郭硕鸿,《电动力学》,人民教育出版社,1979年1版。
[5]王家礼等,《电磁场与电磁波》,西安电子科技大学出版社,2004年2版。
七、其它
电磁场与电磁波网络教学资源(如:
电子教案、PPT讲义….)
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