《電動力學(xué)》課程教學(xué)大綱

《電動力學(xué)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱電動力學(xué)Electrodynamics課程編碼SCC521011040開課院部理學(xué)院課程團(tuán)隊電動力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊學(xué)分4.0課內(nèi)學(xué)時64講授64實驗0上機(jī)0實踐0課外學(xué)時64適用專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)授課語言中文先修課程高等數(shù)學(xué)（2-1）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、電磁學(xué)、線性代數(shù)、數(shù)學(xué)物理方法及應(yīng)用課程簡介（必修）本課程屬于應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)的專業(yè)必修課程。本課程在電磁學(xué)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地闡述經(jīng)典電動力學(xué)和相對論電動力學(xué)的基本概念、原理及處理問題的方法。課程內(nèi)容包括：靜電場，穩(wěn)恒電流的磁場，隨時間變化的電磁場，電磁波的傳播，電磁波的輻射，狹義相對論，帶電粒子和電磁場的相互作用。著重介紹恒定電磁場的基本性質(zhì)和求解電場和磁場問題的基本方法；著重討論電磁波的傳播，包括無界空間中的電磁波的性質(zhì)、界面上的反射折射以及有界空間中的電磁波問題；介紹一般情況下電磁勢的概念和輻射電磁場的計算方法；系統(tǒng)地闡述狹義相對論的時空觀及相對論電動力學(xué)和相對論力學(xué)的基本理論；討論帶電粒子和電磁場的相互作用和運動帶電粒子輻射場的處理方法。通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握電磁相互作用的基本規(guī)律，理解電動力學(xué)的基本思想和基本數(shù)學(xué)方法，初步掌握處理有關(guān)電磁系統(tǒng)的各類實際問題的典型方法，培養(yǎng)學(xué)生解釋、質(zhì)疑、評價電動力學(xué)領(lǐng)域基本現(xiàn)象的能力；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，訓(xùn)練創(chuàng)新思維，培育創(chuàng)新實踐能力和科學(xué)研究能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和從事研究工作打下理論基礎(chǔ)。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.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：系統(tǒng)掌握電磁相互作用的基本規(guī)律，理解電動力學(xué)的基本思想和基本數(shù)學(xué)方法，初步掌握處理有關(guān)電磁系統(tǒng)的各類實際問題的典型方法，培養(yǎng)學(xué)生解釋、質(zhì)疑、評價電動力學(xué)領(lǐng)域基本現(xiàn)象的能力。通過課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，訓(xùn)練創(chuàng)新思維，培育創(chuàng)新實踐能力和科學(xué)研究能力，為今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和從事研究工作打下理論基礎(chǔ)。是9.19.12M2目標(biāo)2：保證課堂正常秩序否3M3目標(biāo)3：使用網(wǎng)上資源的人數(shù)>60%否三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第一章矢量分析和場論基礎(chǔ)矢量的運算////21.1矢量及其運算矢量的表示方法，標(biāo)量積和矢量積，三重積M10.5講授0.5作業(yè)31.2標(biāo)量場的梯度標(biāo)量場的等值面，方向?qū)?shù)，標(biāo)量場的梯度M10.5講授0.5作業(yè)41.3矢量場的散度矢量場的矢量線，通量和散度的概念，矢量場的通量與散度，矢量場散度的表達(dá)式M11講授1作業(yè)51.4矢量場的旋度矢量場的環(huán)量，環(huán)量面密度，矢量場的旋度，矢量場旋度的表達(dá)式M11講授1作業(yè)61.5哈密頓算符及其恒等式哈密頓算符，關(guān)于哈密頓算符的計算公式，應(yīng)用舉例M11講授1作業(yè)71.6廣義正交曲線坐標(biāo)系廣義正交曲線坐標(biāo)系的基本概念，正交曲線坐標(biāo)系中長度元、面積元和體積元，直角坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系，球坐標(biāo)系，正交曲線坐標(biāo)系中梯度的計算公式，正交曲線坐標(biāo)系中散度的計算公式，正交曲線坐標(biāo)系中旋度的計算公式，正交曲線坐標(biāo)系中u的拉普拉斯算符的計算公式M11.5講授1.5作業(yè)81.7積分變換公式高斯散度定理，斯托克斯定理，格林定理0.5講授0.5作業(yè)91.8狄拉克函數(shù)狄拉克函數(shù)的性質(zhì)M10.5講授0.5作業(yè)101.9并矢與張量并矢與張量的計算M11講授1作業(yè)111.10亥姆霍茲定理亥姆霍茲定理的內(nèi)容M10.5講授0.5作業(yè)12第二章靜電場電勢及其微分方程，對靜電問題的理解////132.1真空中靜電場的基本方程庫侖定律，電場強度，靜電場的散度，靜電場的旋度M11講授1作業(yè)142.2真空中靜電場的勢及微分方程電勢，電勢的疊加原理，電勢的微分方程，應(yīng)用舉例M11講授1作業(yè)152.3電介質(zhì)中靜電場的基本方程電介質(zhì)，極化介質(zhì)中的體分布偶極子產(chǎn)生極化電場的觀點，極化介質(zhì)中的束縛電荷產(chǎn)生極化電場的觀點，電位移矢量D，電介質(zhì)中靜電場的旋度M12講授2作業(yè)162.4靜電場中不同電介質(zhì)分界面上的邊值關(guān)系電位移法線分量的邊值關(guān)系，電場強度切向分量的邊值關(guān)系M12講授2作業(yè)172.5靜電場的能量連續(xù)帶電體的靜電能，用場量表示的靜電能M12講授2作業(yè)182.6電多極矩及其與外加場的相互作用電勢的多極展開，電四極矩，應(yīng)用舉例，電荷體系在外電場中的能量M12講授2作業(yè)19第三章靜電場邊值問題的求解方法靜電場的邊值問題////203.1靜電場邊值問題的數(shù)學(xué)模型靜電勢的微分方程——泊松方程，邊值關(guān)系，邊值問題的正確提法M11講授1作業(yè)213.2唯一性定理唯一性定理M11講授1作業(yè)223.3電象法點電荷對接地?zé)o限大平面導(dǎo)體的電象，關(guān)于電象法的初步認(rèn)識M12講授2作業(yè)233.4分離變量法直角坐標(biāo)系中的分離變量法，球坐標(biāo)系中的分離變量法M12講授2作業(yè)24第四章穩(wěn)恒電流的磁場磁矢勢和磁標(biāo)勢的求解////254.1穩(wěn)恒電流場的基本方程電流密度矢量，電流的連續(xù)性方程，穩(wěn)恒電流場的基本方程，穩(wěn)恒電流場電勢的微分方程M11講授1作業(yè)264.2穩(wěn)恒電流的邊值問題不同導(dǎo)電媒質(zhì)分界面上的邊值關(guān)系，穩(wěn)恒電流場邊值問題的求解方法M11講授1作業(yè)274.3真空中恒定磁場的基本方程安培定律，磁感應(yīng)強度B，磁場的通量與散度，磁場的環(huán)量與旋度M11講授1作業(yè)284.4恒定磁場的矢勢磁矢勢，磁矢勢的規(guī)范變換，磁矢勢A的微分方程，磁矢勢A的物理意義M11講授1作業(yè)294.5磁介質(zhì)中恒定磁場的基本方程磁化強度矢量，磁介質(zhì)中磁矢勢A的微分方程M11講授1作業(yè)304.6恒定磁場中不同磁介質(zhì)分界面上的邊值關(guān)系B的法向分量的邊值關(guān)系，H的切向分量的邊值關(guān)系，磁矢勢A的邊值關(guān)系M11講授1作業(yè)314.7磁標(biāo)勢磁荷觀點磁標(biāo)勢及其存在條件，鐵磁介質(zhì)中的磁場，磁荷觀點，磁標(biāo)勢的微分方程，磁標(biāo)勢的邊值關(guān)系及定解條件M12講授2作業(yè)324.8磁場的能量磁場的能量，用場量表示儲能M11講授1作業(yè)334.9磁多極矩的磁場磁矢勢的多極展開，磁偶極矩的場和磁標(biāo)勢，小區(qū)域內(nèi)電流分布在外磁場中的能量M11講授1作業(yè)34第五章時變電磁場的普遍規(guī)律宏觀電動力學(xué)的基本方程的推導(dǎo)////355.1麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式法拉第電磁感應(yīng)定律，位移電流，麥克斯韋方程組，介質(zhì)的電磁性質(zhì)方程，洛倫茲力公式M11講授1作業(yè)365.2時變電磁場的邊值關(guān)系場矢量D和B法線分量在兩不同介質(zhì)分界面上的邊值關(guān)系，場矢量E和H切向分量在兩不同介質(zhì)分界面上的邊值關(guān)系M11講授1作業(yè)375.3電磁場的能量守恒定律電磁場的功率，電磁場和電荷系統(tǒng)的能量守恒定律的一般形式M12講授2作業(yè)38第六章電磁波的傳播平面電磁波的概念與數(shù)學(xué)描述////396.1均勻平面電磁波在理想介質(zhì)中的傳播時諧電磁場，電磁場的波動方程，波動方程的解，k,E,H三個矢量之間的關(guān)系，理想介質(zhì)中電磁波的性質(zhì)M12講授2作業(yè)406.2均勻平面電磁波在兩種理想介質(zhì)分界面上的反射和折射反射定律和折射定律，振幅關(guān)系——菲涅耳公式，菲涅耳公式的幾個推論M11講授1作業(yè)416.3均勻平面電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播波動方程的解，導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波的性質(zhì)，M11講授1作業(yè)426.4導(dǎo)行電磁波雙導(dǎo)體傳輸線，矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)中導(dǎo)行波的橫向分布函數(shù)，矩形波導(dǎo)中TEmn和TMmn波場的表達(dá)式，截止頻率，矩形波導(dǎo)中的主?！猅E10波M11講授1作業(yè)436.5諧振腔諧振腔M11講授1作業(yè)44第七章電磁波的輻射時變電磁場的勢函數(shù)，電偶極子輻射場////457.1時變電磁場的矢勢和標(biāo)勢時變電磁場的矢勢和標(biāo)勢，規(guī)范變換與規(guī)范不變性，達(dá)朗貝爾方程，達(dá)朗貝爾方程的解——推遲勢M11講授1作業(yè)467.2電偶極子的輻射計算輻射場的一般公式，電偶極子的電磁場，電偶極子的近區(qū)電磁場，電偶極子的遠(yuǎn)區(qū)電磁場，磁偶極子輻射M11講授1作業(yè)477.3多極輻射推遲勢的多極展開，磁偶極子與電四極子輻射M11講授1作業(yè)487.4電磁波的衍射衍射問題，基爾霍夫公式，惠更斯-菲涅爾原理，小孔衍射M11講授1作業(yè)497.5電磁場的動量電磁場的動量密度和動量流密度，輻射壓力M12講授2作業(yè)50第八章狹義相對論狹義相對論的基本原理以及時空理論////518.1狹義相對論的實驗基礎(chǔ)牛頓力學(xué)與伽利略相對性原理，電磁現(xiàn)象與經(jīng)典力學(xué)原理的矛盾，尋找絕對參考系的實驗——邁克爾遜-莫雷實驗M11講授1作業(yè)528.2狹義相對論基本原理與相對論時空觀狹義相對論的基本原理，洛倫茲變換，速度變換公式，相對論的時空觀M11講授1作業(yè)538.3洛倫茲變換的四維形式三維空間的正交變換，物理量按空間變換性質(zhì)的分類，洛倫茲變換的四維形式M12講授2作業(yè)548.4相對論電動力學(xué)四維電流密度矢量及四維形式的電流連續(xù)性方程，四維勢矢量及四維形式的勢方程，電磁場張量，麥克斯韋方程組的協(xié)變形式，電磁場的變換，四維洛倫茲力密度矢量和電磁場應(yīng)力能量動量張量，電磁場的不變量，平面波的相位不變性和四維波矢量M12講授2作業(yè)558.5相對論力學(xué)基礎(chǔ)四維速度矢量，四維動量矢量，質(zhì)能關(guān)系，能量-動量關(guān)系，四維力矢量，相對論力學(xué)方程，洛倫茲力M12講授2作業(yè)56第九章帶電粒子和電磁場的相互作用帶電粒子的電磁場理論，帶電粒子輻射問題的分析方法////579.1任意運動帶電粒子的勢和輻射電磁場任意運動帶電粒子的勢，運動帶電粒子的電磁場，勻速直線運動帶電粒子的電磁場，加速運動帶電粒子的輻射電磁場，任意加速運動的高速帶電粒子的輻射總功率，相對論性的李納輻射公式M12講授2作業(yè)589.2帶電粒子的電磁場對離子本身的反作用電子的電磁質(zhì)量和經(jīng)典半徑，輻射阻尼力與亞伯拉罕-洛倫茲方程M12講授2作業(yè)599.3諧振電子的輻射阻尼和光譜線的自然寬度諧振電子的輻射阻尼，光譜線的自然寬度M12講授2作業(yè)四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.每周布置4~5道題目，平均每次課2道題以上。2.成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學(xué)生對電動力學(xué)基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。題型主要有證明、計算題等。20%2大作業(yè)1.課程結(jié)束后撰寫一篇課程總結(jié)和體會，以加深對所學(xué)知識的系統(tǒng)性理