《電磁場與電磁波》課程教學(xué)大綱

電磁場與電磁波課程教學(xué)大綱Electromagnetic fields and waves課程編號： 學(xué) 分： 4學(xué) 時(shí)： 64 （其中：講課學(xué)時(shí)：56 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)2： 上機(jī)學(xué)時(shí)：6 ）先修課程： 高等數(shù)學(xué)、普通物理、數(shù)學(xué)物理方法后續(xù)課程：適用專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理、電子信息、電子對抗開課部門： 理學(xué)院一、 課程教學(xué)目的和課程性質(zhì)電磁場與電磁波是高等學(xué)校理工科電子類或信息類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課，其任務(wù)是介紹宏觀電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)理論和平面電磁波動(dòng)的基本規(guī)律，使學(xué)生能完整地理解和掌握宏觀電磁場的基本性質(zhì)和基本規(guī)律，對電子信息工程中的電磁現(xiàn)象和電磁場問題能用場的觀點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。同時(shí)，電磁場理論又是一些交叉領(lǐng)域的學(xué)科生長點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，它對于學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和增強(qiáng)學(xué)生的適應(yīng)能力與創(chuàng)造能力，具有重要的作用。二、課程的主要內(nèi)容及基本要求第一章 矢量分析（6學(xué)時(shí)）知 識 點(diǎn) 矢量代數(shù)、 三種常用的正交坐標(biāo)系、標(biāo)量場的梯度、 矢量場的通量與散度、 矢量場的環(huán)流與旋度、 無旋場與無散場、亥姆霍茲定理。 重 點(diǎn) 理解標(biāo)量場與矢量場的概念，了解標(biāo)量場的等值面和矢量場的矢量線的概念。矢量場的散度和旋度、標(biāo)量場的梯度是矢量分析中最基本的概念，應(yīng)深刻理解，掌握散度、旋度和梯度的計(jì)算公式和方法。 難 點(diǎn)矢量場的散度和旋度、標(biāo)量場的梯度是矢量分析中最基本的概念，應(yīng)深刻理解，掌握散度、旋度和梯度的計(jì)算公式和方法；散度定理和斯托克斯定理是矢量分析中的兩個(gè)重要定理。 基本要求 1、理解標(biāo)量場與矢量場的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的計(jì)算公式和方法；3、矢量場的散度和旋度、標(biāo)量場的梯度是矢量分析中最基本的概念。考核要求1、理解標(biāo)量場與矢量場的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的計(jì)算公式和方法；3、矢量場的散度和旋度、標(biāo)量場的梯度是矢量分析中最基本的概念。第二章 電磁場的基本規(guī)律 (10學(xué)時(shí))知 識 點(diǎn) 電荷守恒定律、真空中靜電場的基本規(guī)律、真空中恒定磁場的基本規(guī)律、媒質(zhì)的電磁特性、電磁感應(yīng)定律和位移電流。 重 點(diǎn) 真空中靜電場的基本規(guī)律、真空中恒定磁場的基本規(guī)律、電磁感應(yīng)定律和位移電流。 難 點(diǎn)電磁感應(yīng)定律和位移電流、麥克斯韋方程組、電磁場的邊界條件 基本要求 1、理解電荷及其分布、電流及其分布以及電流連續(xù)性方程。理解電場和磁場的概念，掌握電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的積分公式，會(huì)計(jì)算一些簡單源分布（電荷、電流密度）產(chǎn)生的場。2、掌握電場基本方程，了解電介質(zhì)的極化現(xiàn)象及極化電荷分布。掌握靜磁場的基本方程，了解磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象及磁化電流分布。3、掌握電磁感應(yīng)定律及位移電流的概念，牢固掌握麥克斯韋方程組并深刻理解其物理意義，掌握電磁場的邊界條件。實(shí)踐與練習(xí) 上機(jī)實(shí)習(xí)，2個(gè)學(xué)時(shí)，上機(jī)內(nèi)容電磁軟件CST的安裝和基本操作，對電磁軟件模擬CST由有個(gè)初步認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。 考核要求1、掌握電場基本方程2、掌握靜磁場的基本方程，了解磁介質(zhì)的磁化現(xiàn)象及磁化電流分布。3、掌握電磁感應(yīng)定律及位移電流的概念，4、掌握麥克斯韋方程組并深刻理解其物理意義，5、掌握電磁場的邊界條件。第三章 靜態(tài)電磁場及其邊值問題的解 (14學(xué)時(shí))知 識 點(diǎn) 靜電場分析、導(dǎo)電媒質(zhì)中的恒定電場分析、恒定磁場分析、 靜態(tài)場的邊值問題及解得唯一性定理、 鏡像法、分離變量法。 重 點(diǎn) 著重掌握靜電場、恒定電場和恒定磁場的基本方程及電位所滿足的微分方程，掌握鏡像法和分離變量法解題的思路及典型問題的求解。 難 點(diǎn)靜態(tài)場的邊值問題及解得唯一性定理、 鏡像法、分離變量法。 基本要求 1、掌握靜電場的基本方程和邊界條件，掌握靜電場中的電位函數(shù)及其微分方程，掌握電位的邊界條件；理解電場能量和能量密度的概念，會(huì)計(jì)算一些典型場的能量，會(huì)計(jì)算典型雙導(dǎo)體的電容。2、掌握恒定電場的基本方程和邊界條件，了解靜電比擬法，會(huì)計(jì)算典型導(dǎo)體的電阻。3、掌握恒定磁場的基本方程和邊界條件，理解矢量磁位及其微分方程，了解標(biāo)量磁位的概念。理解磁場能量和能流密度，會(huì)計(jì)算一些典型場的磁場能量，會(huì)計(jì)算典型回路的電感。4、理解靜電場的惟一性定理及其重要意義。5、掌握鏡像法的基本原理，會(huì)用鏡像法求解一些典型問題。5、了解分離變量法的基本思想和解題步驟，能夠用分離變量法求解直角坐標(biāo)系中的一些簡單的二維問題。實(shí)踐與練習(xí) 上機(jī)實(shí)習(xí)，2個(gè)學(xué)時(shí)，上機(jī)內(nèi)容電磁軟件CST的基本操作，增強(qiáng)學(xué)生對電磁軟件模擬CST的認(rèn)識。 考核要求1、掌握靜電場的基本方程和邊界條件，2、掌握靜電場中的電位函數(shù)及其微分方程，3、掌握電位的邊界條件；理解電場能量和能量密度的概念，。4、掌握恒定電場的基本方程和邊界條件，5、掌握恒定磁場的基本方程和邊界條件，6、掌握鏡像法的基本原理，會(huì)用鏡像法求解一些典型問題。7、分離變量法的基本思想和解題步驟，能夠用分離變量法求解直角坐標(biāo)系中的一些簡單的二維問題。第四章 時(shí)變電磁場 （6學(xué)時(shí)）知 識 點(diǎn) 波動(dòng)方程、 電磁場的位函數(shù)、 電磁能量守恒定律、時(shí)諧電磁場 重 點(diǎn) 掌握坡印廷矢量和平均坡印廷矢量的物理意義及如何計(jì)算。 難 點(diǎn)坡印廷定理和電磁能量守恒定律。 基本要求 1、掌握電磁場的波動(dòng)方程，理解動(dòng)態(tài)矢量位和標(biāo)量位的概念以及其滿足的微分方程。2、坡印廷定理是電磁場的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，應(yīng)深刻理解其物理意義。坡印廷矢量描述了電磁能量的傳輸，是電磁場中的一個(gè)重要概念，必須深刻理解其物理意義并應(yīng)用它分析計(jì)算電磁能量的傳輸。3、惟一性定理是電磁場的重要定理之一，它揭示了電磁場具有惟一確定分布的條件，應(yīng)很好地理解惟一性定理及其重要意義。4、掌握正旋電磁場的復(fù)數(shù)表示方法及其意義，掌握復(fù)數(shù)形式的麥克斯韋方程和波動(dòng)方程，掌握有耗媒質(zhì)特性參數(shù)的描述，掌握平均坡印廷矢量?？己艘?、掌握電磁場的波動(dòng)方程，2、坡印廷定理是電磁場的能量轉(zhuǎn)換與守恒定律，及其物理意義并應(yīng)用它分析計(jì)算電磁能量的傳輸。3、復(fù)數(shù)形式的麥克斯韋方程和波動(dòng)方程，4、掌握有耗媒質(zhì)特性參數(shù)的描述，5、平均坡印廷矢量。第五章 均勻平面波在無界空間中的傳播（8學(xué)時(shí)）知 識 點(diǎn) 理想介質(zhì)中的均勻平面波、電磁波的極化、 均勻平面波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播。重 點(diǎn) 1、波的概念和表示方法，理解均勻平面波的概念以及研究均勻平面波的重要意義2、均勻平面波在無界有損耗媒質(zhì)中的傳播特性，3、描述傳播特性的參數(shù)的物理意義。4、均勻平面波在理想介質(zhì)和導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播。 難 點(diǎn)均勻平面波在導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播。 基本要求 1、掌握波的概念和表示方法，理解均勻平面波的概念以及研究均勻平面波的重要意義；2、理解和掌握均勻平面波在無界理想介質(zhì)中的傳播特性；3、理解和掌握均勻平面波在無界有損耗媒質(zhì)中的傳播特性，理解描述傳播特性的參數(shù)的物理意義。4、了解電磁波在各向異性媒質(zhì)中的傳播問題的分析方法及其傳播特性。 考核要求1、波的概念和表示方法。2、均勻平面波在無界有損耗媒質(zhì)中的傳播特性，3、描述傳播特性的參數(shù)的物理意義。第六章 均勻平面波的反射與透射 (8學(xué)時(shí))知 識 點(diǎn) 均勻平面波對分界平面的垂直入射、均勻平面波對多層介質(zhì)分界平面的垂直入射、均勻平面波對理想介質(zhì)分界平面的斜入射、均勻平面波對理想導(dǎo)體平面的斜入射。 重 點(diǎn) 均勻平面波對導(dǎo)電媒質(zhì)分界面、理想導(dǎo)體平面和理想介質(zhì)分界面的垂直入射，掌握反射系數(shù)、透射系數(shù)的概念與計(jì)算。 難 點(diǎn)1、勻平面波對多層媒質(zhì)分界面垂直入射的分析方法，掌握四分之一波長匹配層和半波長介質(zhì)窗的意義及其應(yīng)用。2、均勻平面波對分界面的斜入射問題的分析方法，理解斯耐爾反射定律和折射定律以及反射系數(shù)、透射系數(shù)的意義；理解全反射現(xiàn)象和無反射現(xiàn)象的概念，掌握其產(chǎn)生的條件，了解其應(yīng)用。 基本要求 均勻平面波對理想導(dǎo)體平面和理想介質(zhì)平面的垂直入射，是討論反射和透射問題的最基本、也是最簡單的情形，應(yīng)掌握其分析方法和過程，理解所得結(jié)果表征的物理意義。實(shí)踐與練習(xí) 上機(jī)實(shí)習(xí)，2個(gè)學(xué)時(shí)，上機(jī)內(nèi)容：利用電磁軟件CST的進(jìn)行簡單微波元件仿真設(shè)計(jì)?？己艘?、均勻平面波對導(dǎo)電媒質(zhì)分界面、理想導(dǎo)體平面和理想介質(zhì)分界面的垂直入射。2、反射系數(shù)、透射系數(shù)的概念與計(jì)算。第七章 導(dǎo)行電磁波 (8學(xué)時(shí))知 識 點(diǎn) 導(dǎo)行電磁波概論、 矩形波導(dǎo)、 同軸波導(dǎo)、諧振腔、傳輸線理論 重 點(diǎn) 縱向場分析法求解波導(dǎo)中的場分布，掌握傳播常數(shù)、截止波數(shù)、傳播模式、截止頻率、相位常數(shù)、波導(dǎo)波長、相速度、波阻抗的計(jì)算公式。 難 點(diǎn)波導(dǎo)中的縱向場分析法是求解波導(dǎo)中場分布的重要方法，要求理解該方法的思路。對于該方法中涉及到得有關(guān)物理量，如傳播常數(shù)、截止波數(shù)等是討論波導(dǎo)中波傳播特性的關(guān)鍵，基本要求 1、波導(dǎo)涉及到的有關(guān)物理量，如傳播常數(shù)、截止波數(shù)等的物理意義和計(jì)算公式。2、波導(dǎo)中三種模式的傳播條件和傳播特性。3、TEM波傳輸線的特性參數(shù)、波的傳播特點(diǎn)及工作狀態(tài)分析也是這一章的重點(diǎn)。4、要求掌握特性阻抗、輸入阻抗、反射系數(shù)、終端反射系數(shù)、駐波系數(shù)的定義、計(jì)算公式和物理意義。掌握傳輸線三種不同工作狀態(tài)的條件和特點(diǎn)。5、關(guān)于諧振腔，要求了解振蕩模式的特點(diǎn)，掌握諧振頻率的計(jì)算公式，理解品質(zhì)因素的物理意義，了解其計(jì)算方法。實(shí)踐與練習(xí) 實(shí)踐實(shí)習(xí)，2個(gè)學(xué)時(shí)，內(nèi)容：認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本操作和功能，并對簡單的微波器件進(jìn)行測試，初步認(rèn)識微波器件的功能和結(jié)構(gòu)?？己艘?、波導(dǎo)涉及到得有關(guān)物理量，如傳播常數(shù)、截止波數(shù)等的物理意義和計(jì)算公式。2、波導(dǎo)中三種模式的傳播條件和傳播特性是這一章的重點(diǎn)，必須牢固掌握三種模式的分類方法和傳播特性參數(shù)，如截止頻率、相位常數(shù)、波導(dǎo)波長、相速度、波阻抗的計(jì)算公式，并應(yīng)用它們分析具體給定波導(dǎo)中不同模式的傳播特性。第八章 電磁輻射 (4學(xué)時(shí))知 識 點(diǎn) 滯后位、電偶極子的輻射、電與磁的對偶性、磁偶極子的輻射、天線的基本參數(shù)。 重 點(diǎn) 電偶極子的輻射、天線的基本參數(shù)。 難 點(diǎn)1、輻射問題，即電磁波與激發(fā)它們的源之間的關(guān)系。2、掌握滯后位的物理意義。3、掌握電偶極子的近區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場的性質(zhì)?；疽?1、輻射場的研究方法。2、滯后位的物理意義3、電偶極子輻射是一種最簡單也是最重要的輻射形式。要求掌握電偶極子的近區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場的性質(zhì)。4、天線的基本參數(shù)?？己艘?、滯后位的物理意義2、電偶極子的近區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場的性質(zhì)。3、天線的基本參數(shù)。三、學(xué)時(shí)分配知識單元講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)合計(jì)第一章 矢量分析6006第二章 電磁場的基本規(guī)律 80210第三章 靜態(tài)電磁場及其邊值問題的解 120214第四章 時(shí)變電磁場 6006第五章 均勻平面波在無界空間中的傳播8008第六章 均勻平面波的反射與透射 6028第七章 導(dǎo)行電磁波 6208第八章 電磁輻射 44合計(jì)560056四、教學(xué)方法建議運(yùn)用多媒體教學(xué)手段，理論與案例相結(jié)合的手段進(jìn)行教學(xué)。五、考核模式與成績評定辦法采取出試卷考試方式，成績評定為百分制。六、選用教材和主要參考書1電磁場理論基礎(chǔ)，王薔等，清華大學(xué)出版社，2001年1版2