《電磁場與電磁波》課程教學大綱

1、電磁場與電磁波課程教學大綱Electromagnetic fields and waves課程編號： 學 分： 4學 時： 64 （其中：講課學時：56 實驗學時2： 上機學時：6 ）先修課程： 高等數學、普通物理、數學物理方法后續(xù)課程：適用專業(yè)：光信息科學與技術、應用物理、電子信息、電子對抗開課部門： 理學院一、 課程教學目的和課程性質電磁場與電磁波是高等學校理工科電子類或信息類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎理論課，其任務是介紹宏觀電磁現象的基礎理論和平面電磁波動的基本規(guī)律，使學生能完整地理解和掌握宏觀電磁場的基本性質和基本規(guī)律，對電子信息工程中的電磁現象和電磁場問題能用場的觀點進行分析和計算。同時

2、，電磁場理論又是一些交叉領域的學科生長點和新興邊緣學科發(fā)展的基礎，它對于學生后續(xù)專業(yè)課程的學習和增強學生的適應能力與創(chuàng)造能力，具有重要的作用。二、課程的主要內容及基本要求第一章 矢量分析（6學時）知 識 點 矢量代數、 三種常用的正交坐標系、標量場的梯度、 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 理解標量場與矢量場的概念，了解標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、標量場的梯度是矢量分析中最基本的概念，應深刻理解，掌握散度、旋度和梯度的計算公式和方法。 難 點矢量場的散度和旋度、標量場的梯度是矢量分析中最基本的概念，應深刻理解，掌握

3、散度、旋度和梯度的計算公式和方法；散度定理和斯托克斯定理是矢量分析中的兩個重要定理。 基本要求 1、理解標量場與矢量場的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的計算公式和方法；3、矢量場的散度和旋度、標量場的梯度是矢量分析中最基本的概念?？己艘?、理解標量場與矢量場的概念；2、掌握散度、旋度和梯度的計算公式和方法；3、矢量場的散度和旋度、標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學時)知 識 點 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、媒質的電磁特性、電磁感應定律和位移電流。 重 點 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、電磁感應定律和

4、位移電流。 難 點電磁感應定律和位移電流、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，掌握電場強度和磁場強度的積分公式，會計算一些簡單源分布（電荷、電流密度）產生的場。2、掌握電場基本方程，了解電介質的極化現象及極化電荷分布。掌握靜磁場的基本方程，了解磁介質的磁化現象及磁化電流分布。3、掌握電磁感應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。實踐與練習 上機實習，2個學時，上機內容電磁軟件CST的安裝和基本操作，對電磁軟件模擬CST由有個初步認識，增強學生的學習興趣。 考核要

5、求1、掌握電場基本方程2、掌握靜磁場的基本方程，了解磁介質的磁化現象及磁化電流分布。3、掌握電磁感應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學時)知 識 點 靜電場分析、導電媒質中的恒定電場分析、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 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

6、，掌握靜電場中的電位函數及其微分方程，掌握電位的邊界條件；理解電場能量和能量密度的概念，會計算一些典型場的能量，會計算典型雙導體的電容。2、掌握恒定電場的基本方程和邊界條件，了解靜電比擬法，會計算典型導體的電阻。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，了解標量磁位的概念。理解磁場能量和能流密度，會計算一些典型場的磁場能量，會計算典型回路的電感。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系中的一些簡單的二維問題。實踐與練習 上機實習，2個學時，上機內容電

7、磁軟件CST的基本操作，增強學生對電磁軟件模擬CST的認識。 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系中的一些簡單的二維問題。第四章 時變電磁場 （6學時）知 識 點 波動方程、 電磁場的位函數、 電磁能量守恒定律、時諧電磁場 重 點 掌握坡印廷矢量和平均坡印廷矢量的物理意義及如何計算。 難 點坡印廷定

8、理和電磁能量守恒定律。 基本要求 1、掌握電磁場的波動方程，理解動態(tài)矢量位和標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換與守恒定律，應深刻理解其物理意義。坡印廷矢量描述了電磁能量的傳輸，是電磁場中的一個重要概念，必須深刻理解其物理意義并應用它分析計算電磁能量的傳輸。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數表示方法及其意義，掌握復數形式的麥克斯韋方程和波動方程，掌握有耗媒質特性參數的描述，掌握平均坡印廷矢量?？己艘?、掌握電磁場的波動方程，2、坡印廷定理是電磁場的能量轉換與守恒

9、定律，及其物理意義并應用它分析計算電磁能量的傳輸。3、復數形式的麥克斯韋方程和波動方程，4、掌握有耗媒質特性參數的描述，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學時）知 識 點 理想介質中的均勻平面波、電磁波的極化、 均勻平面波在導電媒質中的傳播。重 點 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中的傳播特性，3、描述傳播特性的參數的物理意義。4、均勻平面波在理想介質和導電媒質中的傳播。 難 點均勻平面波在導電媒質中的傳播。 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

10、、理解和掌握均勻平面波在無界理想介質中的傳播特性；3、理解和掌握均勻平面波在無界有損耗媒質中的傳播特性，理解描述傳播特性的參數的物理意義。4、了解電磁波在各向異性媒質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中的傳播特性，3、描述傳播特性的參數的物理意義。第六章 均勻平面波的反射與透射 (8學時)知 識 點 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分界平面的垂直入射、均勻平面波對理想介質分界平面的斜入射、均勻平面波對理想導體平面的斜入射。 重 點 均勻平面波對導電媒質分界面、理想導體平面和理想介質分界面的垂直入射，掌握反射系

11、數、透射系數的概念與計算。 難 點1、勻平面波對多層媒質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窗的意義及其應用。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、透射系數的意義；理解全反射現象和無反射現象的概念，掌握其產生的條件，了解其應用。 基本要求 均勻平面波對理想導體平面和理想介質平面的垂直入射，是討論反射和透射問題的最基本、也是最簡單的情形，應掌握其分析方法和過程，理解所得結果表征的物理意義。實踐與練習 上機實習，2個學時，上機內容：利用電磁軟件CST的進行簡單微波元件仿真設計。考核要求1、均勻平面波對導電媒質分界面、理想導體

12、平面和理想介質分界面的垂直入射。2、反射系數、透射系數的概念與計算。第七章 導行電磁波 (8學時)知 識 點 導行電磁波概論、 矩形波導、 同軸波導、諧振腔、傳輸線理論 重 點 縱向場分析法求解波導中的場分布，掌握傳播常數、截止波數、傳播模式、截止頻率、相位常數、波導波長、相速度、波阻抗的計算公式。 難 點波導中的縱向場分析法是求解波導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物理量，如傳播常數、截止波數等是討論波導中波傳播特性的關鍵，基本要求 1、波導涉及到的有關物理量，如傳播常數、截止波數等的物理意義和計算公式。2、波導中三種模式的傳播條件和傳播特性。3、TEM波傳

13、輸線的特性參數、波的傳播特點及工作狀態(tài)分析也是這一章的重點。4、要求掌握特性阻抗、輸入阻抗、反射系數、終端反射系數、駐波系數的定義、計算公式和物理意義。掌握傳輸線三種不同工作狀態(tài)的條件和特點。5、關于諧振腔，要求了解振蕩模式的特點，掌握諧振頻率的計算公式，理解品質因素的物理意義，了解其計算方法。實踐與練習 實踐實習，2個學時，內容：認識網絡分析儀的基本操作和功能，并對簡單的微波器件進行測試，初步認識微波器件的功能和結構。考核要求1、波導涉及到得有關物理量，如傳播常數、截止波數等的物理意義和計算公式。2、波導中三種模式的傳播條件和傳播特性是這一章的重點，必須牢固掌握三種模式的分類方法和傳播特性參

14、數，如截止頻率、相位常數、波導波長、相速度、波阻抗的計算公式，并應用它們分析具體給定波導中不同模式的傳播特性。第八章 電磁輻射 (4學時)知 識 點 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。 重 點 電偶極子的輻射、天線的基本參數。 難 點1、輻射問題，即電磁波與激發(fā)它們的源之間的關系。2、掌握滯后位的物理意義。3、掌握電偶極子的近區(qū)場和遠區(qū)場的性質?；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)場和遠區(qū)場的性質。4、天線的基本參數?？己艘?、滯后位的物理意義2、電偶極子的近區(qū)場和遠區(qū)場的性質。3、天線的基本參數。三、學時分配知識單元講課實驗上機合計第一章 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 導行電磁波 6208第八章 電磁輻射 44合計560056四、教學方法建議運用多媒體教學手段，理論與案例相結合的手段進行教學。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，王薔等，清華大學出版社，2001年1版2