电磁场与电磁波教学大纲

电磁场与电磁波

Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave

适用范围：2016本科人才培养方案 课程编号：0911607070 学 分：2.5学分 学 时：40学时

先修课程：大学物理、高等数学 适用专业：光电信息科学与工程

建议教材：《电磁场与电磁波》（第四版），谢处方编著，高等教育出版社，2014年 开课单位：电子与电气工程学院

一、课程的性质与任务

课程性质：本课程是光电信息科学与工程专业学生的专业方向任选课，具有很强的综合性。

课程任务：该课程是光电信息科学与工程专业人才培养方案中处于基础地位，主要为后续学习光电类课程打下坚实的理论基础。该课程对应人才培养方案中毕业要求的第1、2、3、5、9条，为第1、2、3、5条培养目标服务。

课程的知识点主要包括矢量分析与场论、电磁场基本规律、麦克斯韦方程组、静态场边值问题的解法、时变电磁场、均匀平面波在无界空间中的传播、均匀平面波的反射与透射、导行电磁波、电磁辐射。上述知识点为后续的物理光学、光电检测技术与应用、激光原理与技术等课程打下良好的基础。通过本课程的学习使学生掌握麦克斯韦方程和边界条件；完整地理解和掌握宏观电磁场的基本性质和基本规律；理解和掌握平面波的传播、反射和透射；理解和掌握导行电磁波的传播特性；掌握电基本振子的辐射，了解天线的电参数及几种常见天线的结构和工作原理。提高学生的逻辑推理能力、分析计算能力、总结归纳能力及自学新知识的能力，同时为学习后续课程打下必要的基础。

二、课程的基本内容及要求

（一）矢量分析与场论

1．课程教学内容

（1）矢量代数和三种常用的正交坐标系； （2）标量场的梯度； （3）矢量场的通量与散度；

（4）矢量场的环流与旋度； （5）无旋场与无散场； （6）拉普拉斯运算与格林函数； （7）亥姆霍兹定理。 2．课程重点、难点

重点：场的概念、标量场的方向导数和梯度。

难点：矢量场的通量和散度，矢量场的环量和旋度；亥姆霍兹定理。 3．课程教学要求

（1）理解标量场与矢量场的概念，了解标量场的等值面和矢量场的矢量线的概念； （2）理解矢量场的散度和旋度、标量场的梯度； （3）理解赫姆霍兹定理的重要意义；

（4）掌握直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系这三种常用的坐标系； （5）掌握散度、旋度和梯度的计算公式和方法； （6）掌握散度定理和斯托克斯定理。 4．教学策略及教学方法

（1）上课过程中引领学生通过物理模型的建立，引入标量场与矢量场的概念，培养学生的学习兴趣和热情；

（2）通过例题讲解的方式，使学生掌握散度、梯度和梯度的计算公式和方法，并引导学生自己总结归纳各种分析方法。 （二）电磁场基本规律

1．课程教学内容 （1）电荷守恒定律；

（2）真空中静电场的基本规律； （3）真空中恒定磁场的基本规律； （4）媒质的电磁特性； （5）电磁感应定律和位移电流； (6) 麦克斯韦方程组； （7）电磁场的边界条件。 2．课程重点难点

重点：真空中静电场的基本方程；

难点：电解质中的静电场方程静电场的边界条件。 3．课程教学要求

（1）理解电荷及其分布、电流及其分布以及电流连续性方程； （2）理解电场和磁场的概念；

（3）掌握电场强度和磁场强度的积分公式，会计算一些简单源分布产生的场； （4）掌握电场基本方程和静磁场的及基本方程； （5）掌握电磁感应定律及位移电流的概念； （6）掌握麦克斯韦方程组和电磁场的边界条件。 4.教学策略及教学方法

（1）上课过程中结合生活中的实际，培养学生的学习兴趣和热情；

（2）通过电场与磁场的对比学习，使学生深刻理解并掌握电磁场的基本规律。 （三）静态场边值问题的解法

1．课程教学内容 （1）静电场分析；

（2）到点媒质中的恒定电场分析； （3）恒定磁场分析；

（4）静态场的边值问题及解的唯一性定理； （5）镜像法； （6）分离变量法。 2．课程重点难点

重点：镜像法的基本原理；分离变量法的基本思想和解题步骤。 难点：用分离变量法求解直角坐标系中的一些简单的二维为题。 3．课程教学要求

（1）理解分离变量法基本思想； （2）理解一些典型的像电荷分布；

（3）掌握分离变量法求解直角坐标、圆柱坐标和球坐标中的一些简单问题； （4）掌握镜像法求解静电场问题。 4.教学策略及教学方法

（1）上课过程中采用讲课与课堂练习的方式，让学生深刻掌握分析和解决静态场边值问题的思路与方法；

（2）通过布置作业让学生熟悉熟悉分析变量法，并引导学生自己总结归纳其他的分析方法的步骤。 （四）时变电磁场

1．课程教学内容 （1）波动方程； （2）电磁场的位函数； （3）电磁能量守恒定律； （4）唯一性定理；

（5）时谐电磁场。 2．课程重点难点

重点：法拉第电磁感应强度；时变电磁场的位函数。 难点：宏观电磁场的麦克斯韦方程组。 3．课程教学要求

（1）理解动态矢量位的概念以及其满足的微分方程； （2）理解坡印廷定理是电磁场的能量转换与守恒定律； （3）理解平均能量密度、能量密度； （4）掌握时谐电磁场的两种不同形式的表示。 4.教学策略及教学方法

（1）上课过程中结合电磁场在生活中的实际应用，培养学生的学习兴趣和热情； （2）采用讲练结合的方式，让学生深刻理解波动方程、电磁能量守恒定律和唯一性定理。

（五）均匀平面波在无界空间中的传播

1．课程教学内容

（1）理想介质中国的均匀平面波； （2）电磁波的极化；

（3）均匀平面波在导电媒质中的传播； （4）色散与群速。 2．课程重点难点

重点：均匀平面电磁波的基本概念；平面电磁波与极化。 难点：均匀平面波在导电媒质中的传播特性。 3．课程教学要求

（1）理解均匀平面波的概念以及研究均匀平面波的重要意义； （2）理解和掌握均匀平面波在无界理想介质中的传播特性； （3）理解和掌握均匀平面波在无界有损耗介质中的传播特性； （4）理解群速的概念以及群速与相速的关系； （5）掌握波的概念和表示方法；

（6）掌握波的极化概念以及研究波的极化的重要意义； （7）掌握三种极化方式的条件并能正确判别波的极化状态。 4.教学策略及教学方法

采用多媒体教学，加入教学动画，增强学生的学习兴趣和积极性； （六）均匀平面波的反射与透射

1．课程教学内容

（1）均匀平面波对分界平面的垂直入射； （2）均匀平面波对多层介质平面的垂直入射； （3）均匀平面波对理想介质平面的斜入射； （4）均匀平面波对理想导体平面的斜入射。 2．课程重点难点

重点：均匀平面波对导电媒质分界面、理想导体平面和理想介质分界面的垂直入射的反射和透射规律。

难点：反射系数、透射系数的概念与计算。 3．课程教学要求

（1）理解均匀平面波对理想导体平面和理想介质平面的垂直入射所得结果表征的物理意义；

（2）理解均匀平面波对多层媒质分界面垂直入射的分析方法； (3)理解均匀平面波对分界面的斜入射的分析方法；

（4）理解斯奈尔反射定律和折射定律以及反射系数、透射系数的意义； （5）理解全反射现象和无反射现象的概念，掌握其产生的条件，了解其应用； （6）掌握均匀平面波对理想导体平面和理想介质平面的垂直入射的分析方法和过程； （7）掌握四分之一波长匹配层和半波长介质窗的意义及其应用。 4.教学策略及教学方法 （1）利用多媒体教学的方式；

（2）上课过程中采用讲练结合的方式，让学生深刻理解并掌握均匀平面波对导电媒质分界面、理想导体平面和理想介质分界面的垂直入射的反射和透射规律。 （七）导行电磁波

1．课程教学内容 （1）导行电磁波概论； （2）矩形波导； （3）圆柱形波导； （4）同轴波导； （5）谐振腔； （6）传输线。 2．课程重点难点

重点：矩形波导、圆柱形波导和同轴波导的模式传输特性；利用纵向场分析法求解波导中的场分布。

难点：电磁波在波导中的能量传输与损耗。 3．课程教学要求

（1）理解纵向场分析法的思路；

（2）理解矩形波导的主模TE10是实现单模传输的模式；

（3）掌握波导中三种模式的分类方法和传播特性参数，并应用这些参数计算公式分析具体给定波导中不同模式的传播特性；

（4）掌握矩形波导尺寸设计的原理；

（5）掌握“等效电路法”求解TEM波传输线的方法； （6）掌握谐振频率的计算公式。 4.教学策略及教学方法

利用多媒体教学，并在课堂上理论联系实际，增强学生的学习兴趣和积极性。 （八）电磁辐射 1．课程教学内容 （1）滞后位； （2）电偶极子的辐射； （3）电与磁的对偶性； （4）磁偶极子的辐射； （5）天线的基本参数； （6）对称天线； （7）天线阵； （8）口径场辐射。 2．课程重点难点

重点：电基本振子的辐射场。

难点：对偶原理与磁基本振子的辐射场；面天线辐射场。 3．课程教学要求

（1）理解辐射场的研究方法和滞后位的物理意义； （2）理解对称天线分析方法和基本电参数的定义； （3）理解阵列天线的分析方法和方向性相乘原理；

（4）理解惠更斯元辐射场的基本特点以及平面矩形口径和平面圆形口径辐射的分析方法；

（5）掌握电偶极子的近区场和远区场的性质。 4.教学策略及教学方法 （1）利用多媒体进行教学；

（2）上课过程中结合实际应用，培养学生的学习兴趣和热情。

三、课程学时分配

教学章节 一、矢量分析与场论 二、电磁场的基本规律 三、静态场边值问题的解法 四、时变电磁场 五、均匀平面波在无界空间中的传播 六、均匀平面波的反射与透射 七、导行电磁波 八、电磁辐射 总 计 理论 4 6 4 4 6 4 4 4 36 实践（验） 讨论、习题 2 2 4 四、大纲说明

1．本课程将课堂教学、课堂讨论、多媒体课件有机地结合起来，并充分利用多媒体教学手段提高教学效率。

2． 本课程使用的教材是合肥工业大学出版社2014年出版的孙玉发编著的《电磁场与电磁波》（第二版），该教材是普通高等教育“十一五”国家级规划教材。教材内容有：矢量分析、电磁场的基本规律、静态电磁场及其边值问题的解、时变电磁场、均匀平面波在无界空间中的传播、均匀平面波的反射与透射、导行电磁波、电磁辐射等。另有重要的矢量公式一个附录。该教材内容详实，可供高等学校电子与光电类专业师生作为电磁场与电磁波课程的教材适用。

3.该课程为光电信息科学与工程专业的一门基础课，后续课程有《物理光学》、《光电检测技术与应用》、《激光原理与技术》等，通过学习本课程，能为后续专业课的学习奠定良好的基础。

五、课程考核

课程考核设计思路：按照应用型人才培养理念，为了督促学生、检验学生通过课程学习后对知识的理解和应用，采用平时成绩和理论考试相结合的方法。理论部分考核学生对案例教学中各知识点和知识点的综合应用的掌握情况，平时成绩考核学生的出勤率以及平时作业情况。

考核方式和考核时间：本课程采用综合考核方式，考试部分采用闭卷，成绩评定采用百分制记分，考试时间120分钟。

考核成绩构成及分值：考核总成绩由期末试卷成绩、平时成绩组成,同时注重对学生平时作业和随堂演练的考查。期末试卷成绩满分为100分，占总成绩的70%；平时成绩满分为100分，占总成绩的30%。期末试卷中基本知识、基本理论、基本技能占80%左右，比较灵

活且有一定难度的综合应用题占20%左右。平时成绩根据考勤和作业进行考核评分，其中考勤成绩占平时成绩的50%，作业成绩占平时成绩的50%。

六、参考书目

1．《电磁场与电磁波》，张洪欣、沈远茂编著，清华大学出版社，2016年； 2.《电磁场与电磁波》，陈立甲编著，国防工业出版社，2016年；

3. 《电磁场与电磁波》,王家礼、朱满座、路宏敏编著，西安电子科技大学出版社，2016年。

制订人：崔少博

审订人： 唐晓燕 批准人：翟天嵩

2016年8月

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z53.html