北京大學(xué)物理學(xué)院 電動力學(xué)課件

《電動力學(xué)》課程建設(shè)的匯報2009年8月24-27，泉州全國《電動力學(xué)》教學(xué)研討會北京大學(xué)的“電動力學(xué)”課程是北京大學(xué)本科生主干基礎(chǔ)課和國家教育部理科基地名牌課程。這門課首先是由北京大學(xué)理論物理研究所第一任所長胡寧先生任教（《電動力學(xué)》，人民教育出版社，1957）。以后直到文革前這門課由曹昌祺先生擔(dān)任主講（《電動力學(xué)》人民教育出版社，1962）。這兩本書對新中國的電動力學(xué)教學(xué)的發(fā)展起到了重要的先導(dǎo)作用。原物理系后來主要由俞允強、秦旦華、張承福等主講，技術(shù)物理系主要由虞福春先生和鄭春開、俎棟林等主講。俞允強著有《電動力學(xué)簡明教程》（北京大學(xué)出版社，1999），虞福春、鄭春開著有《電動力學(xué)》（北京大學(xué)出版社，2003），俎棟林著有《電動力學(xué)》(清華大學(xué)出版社,2006)。本課程校內(nèi)發(fā)展的主要歷史沿革教學(xué)隊伍情況姓名出生日期職稱學(xué)科專業(yè)在教學(xué)工作鄭漢青1964教授、博導(dǎo)粒子物理與場論主講教師、課題負責(zé)人朱守華1970教授、博導(dǎo)粒子物理與場論主講教師劉克新1963教授、博導(dǎo)核物理加速器物理主講教師陳曉林1957副教授核理論主講教師彭良友1976副教授理論光學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)、主講我們課程組里還有俞允強、鄭春開、俎棟林、盧大海等退休教師，他們雖然現(xiàn)在不擔(dān)任第一線的教學(xué)任務(wù)，但經(jīng)常參加課程組的研討和交流活動，對年輕教師起到了傳、幫、帶的作用，發(fā)揮著重要作用。師資隊伍人員結(jié)構(gòu)合理、共承擔(dān)每級近300人（包括物理學(xué)院、元培班、信息學(xué)院電子系等等）的教學(xué)任務(wù)。其中每年有兩次A類課（4學(xué)分），一次B類課（3學(xué)分）。采用輪換教學(xué)制度。助教一般聘請有責(zé)任心、品學(xué)兼優(yōu)的高年級研究生。一般A類課請三名助教，B類課請二名。教這門課的意義和目的：為了進行有效的改革，首先應(yīng)該在為什么教這門課，以及在我們對學(xué)生的期望和培養(yǎng)目標這一原則問題上有一個明確、清晰的認識。教授這門理論基礎(chǔ)課是為了培養(yǎng)和造就在基礎(chǔ)物理學(xué)科研前沿進行探索工作的、具有國際競爭力的科學(xué)家和技術(shù)專家。為此我們應(yīng)該具有在世界級水平上競爭的勇氣和決心。教學(xué)改革與研究為達到這個目標，需要我們教師團隊和同學(xué)團結(jié)一致，做出艱苦和不懈的努力。這也是我們這些年在一直進行的。我們的目標要求我們對授課的內(nèi)容，在不脫離現(xiàn)實的情況下，高標準、嚴要求。盡量做到在不明顯增加學(xué)生負擔(dān)的情況下，傳授給學(xué)生更多的對現(xiàn)代科學(xué)研究前沿有重要作用的物理知識和分析方法。在講授過程中我們并不主張?zhí)铠喪降墓噍斔赖闹R，而是強調(diào)掌握對現(xiàn)代物理學(xué)有用的分析方法、概念和新的圖像。對于較難而又對將來從事研究工作有用的一些重要內(nèi)容，我們在處理時也作了一些妥協(xié)，即不要求學(xué)生熟練掌握，而是僅要求掌握基本概念和圖像。我們認為，作為一門理論物理基礎(chǔ)課，其中最為重要的目標之一就是提升學(xué)生對現(xiàn)代物理學(xué)的基本概念、圖像和方法的認識水平，使學(xué)生超越在普物教學(xué)中獲得的對物理學(xué)的認識水平和形成的觀念。結(jié)合在科研工作第一線所得到的經(jīng)驗，對教學(xué)內(nèi)容做出了許多改進，增加了許多對新物理概念、思想方法和分析技巧的講解。指定的主要參考書是郭碩鴻的“電動力學(xué)”與俞允強的“電動力學(xué)簡明教程”，這是國內(nèi)大學(xué)本科生課程的主流教材。我們還推薦Jackson的“經(jīng)典電動力學(xué)”作為參考書之一。后者是美國大學(xué)物理系的研究生課程的標準教材，其深度和廣度明顯大大強于國內(nèi)對本科生使用的教材。由于中國國情的不同，對于絕大多數(shù)學(xué)校、包括北京大學(xué)，在研究生階段并沒有相應(yīng)的高等電動力學(xué)課程。因此我們認為我國的電動力學(xué)的教育存在著明顯的缺口，卻一直沒有得到教育界足夠的重視。這一缺口也許并不總是致命的，但我們認為對于任意一所研究型大學(xué)來說，的確是一個很嚴重的問題。在文革前，北京大學(xué)教授電動力學(xué)是上下兩個學(xué)期、共八學(xué)分，而現(xiàn)在這門課已經(jīng)被縮短到4個學(xué)分、甚至3個學(xué)分。根據(jù)我們在第一線科研工作的切身體會，目前的“電動力學(xué)”課程講授的內(nèi)容并不適應(yīng)科研工作的基本需要。復(fù)旦大學(xué)蔡圣善等著的《電動力學(xué)》（教育部面向21世紀教材），具有較深的難度和廣度，在一定程度上彌補了這一問題，但仍然需要我們做更多的努力來推動這門課程的建設(shè)。

針對目前上述狀況，我們在教學(xué)中做了許多有針對性的教改嘗試。引入（或恢復(fù)）了一些我們認為對將來學(xué)生進一步從事科研工作用處較大、而又沒有相應(yīng)后續(xù)課程介紹的內(nèi)容。比如譜分析、切倫科夫輻射、光在媒質(zhì)中的色散與耗散、光學(xué)定理、因果性與解析性、色散關(guān)系、求和規(guī)則，對Maxwell方程相對論協(xié)變表述的強調(diào)、Dirac磁單極、Green函數(shù)的協(xié)變形式、電磁場理論的拉格朗日形式等。

我們還適當(dāng)?shù)貙ξ锢韺W(xué)的一些新的進展做了一些介紹，如近些年發(fā)展起來的左手材料的電磁性質(zhì)等。主要參考教材重點：Maxwell方程組的建立（真空和介質(zhì)中），完備性與唯一性定理；場的能量動量張量；矢勢的概念，規(guī)范變換；推遲勢，多極展開，偶極輻射；相對論物理，電磁場的四矢量與張量形式；李納-維謝爾勢，任意運動帶電粒子的輻射；介電系數(shù)的諧振子模型，耗散與色散；因果性、解析性與色散關(guān)系。難點：場的能量動量張量；多極展開；相對論物理，電磁場的四矢量與張量形式；李納-維謝爾勢，任意運動帶電粒子的輻射；因果性、解析性與色散關(guān)系。

教學(xué)方法與手段

學(xué)生規(guī)模對于A類課程約200-240人(每學(xué)期一次，人數(shù)約100-120)，B類約50-80人。我們在教學(xué)中強調(diào)基本概念的理解和物理圖像。在講授有比較多推導(dǎo)的內(nèi)容時，先把物理圖像和基本思路予以整體介紹，然后進行推導(dǎo)，推導(dǎo)完成后再對主要物理思想進行總結(jié)。電動力學(xué)是一門基礎(chǔ)理論課，但在工程技方面也有重要的實際應(yīng)用。根據(jù)教師從事研究的學(xué)科特點，在保證電動力學(xué)完整理論體系的基礎(chǔ)上，適當(dāng)聯(lián)系一些實際應(yīng)用，增加同學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。多媒體教學(xué)設(shè)備對為學(xué)生提供多種多樣的教學(xué)材料具有很大的便利，但由于電動力學(xué)的推導(dǎo)比較多，多媒體教學(xué)也有不利的一面。因此，在教學(xué)中結(jié)合多媒體和黑板兩種方法，重要的推導(dǎo)采用板書，但同時也在ppt課件中打出并上網(wǎng)，以便復(fù)習(xí)參考。本課程的主要特色及創(chuàng)新點1）緊密結(jié)合科研工作的需求，給學(xué)生更多地傳授將來對物理學(xué)前沿領(lǐng)域進行研究有重要作用的新的思想方法、物理概念和分析技巧。2）課程內(nèi)容分為A、B兩類，對于A類課程，我們適當(dāng)增加了本門課程的內(nèi)容和難度、提高了要求，盡量地縮小與美國等發(fā)達國家在教學(xué)內(nèi)容、要求上