《電磁場與電磁波》課程教學大綱

《電磁場與電磁波》課程教學大綱一、課程基本信息課程編碼：07S2117B中文名稱：電磁場與電磁波英文名稱：ElectromagneticFieldandElectromagneticWave課程類別：專業(yè)核心課總學時：48總學分：3適用專業(yè)：電子科學與技術專業(yè)先修課程：高等數(shù)學、大學物理、場論、數(shù)學物理方程二、課程性質及目標教學性質：電磁場與電磁波是電子科學與技術專業(yè)學生的一門專業(yè)核心課程。通過本課程的學習，要求學生系統(tǒng)地理解電磁場與電磁波的基本概念、基本性質和基本規(guī)律，掌握求解電磁場問題的基本方法，為進一步學習其他課程特別是專業(yè)課打下基礎。課程目標：1.通過本課程知識的學習，使學生了解電磁場論的發(fā)展歷程，掌握電磁場論的基本概念、基本性質和基本規(guī)律，掌握求解電磁場問題的基本方法，為后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎。引導學生學習科技發(fā)展史，樹立科技強國意識，感受中國在電子領域的先進成果，激勵學生自覺融入到實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢進程中。2.通過本課程知識的學習，使學生掌握電磁場論計算理論的基本方法，并能在具體電子科學與技術專業(yè)的具體問題中加以應用。培養(yǎng)學生解決問題方法的多樣性，提高學生數(shù)學分析的能力。3.通過本課程知識的學習，使學生掌握電磁場論分析問題的基本方法，并能在復雜的實際情況中加以應用。培養(yǎng)學生邏輯思維和創(chuàng)新能力，提高學生設計、開發(fā)系統(tǒng)的能力。不同介質和邊界條件對應的場方程形式不同，引導學生用發(fā)展的眼光看問題，終身學習，與時俱進，始終擁有先進的理念和較高的職業(yè)素養(yǎng)。表1課程目標對畢業(yè)要求的支撐關系畢業(yè)要求指標點課程目標1.工程知識1.2掌握電子電路工程領域的專業(yè)基礎知識，具備解決基本電子電路工程問題的能力。課程目標12.問題分析2.1能夠將數(shù)學、自然科學和工程科學的基本概念運用到復雜工程問題的適當表述之中。2.3能從數(shù)學和自然科學的角度，對解決電子電路方面的實驗、設計及生產途徑中遇到的問題進行分析和改進。課程目標2課程目標34.研究4.2能夠基于科學原理并采用科學方法設計指標，選擇合適方法與手段實現(xiàn)并達到指標要求。課程目標3三、課程教學方法1.采用啟發(fā)式、案例式教學，激發(fā)學生主動學習的興趣，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力。2.結合科研生產中的實際例子對課程進行講解，通過課堂講解，加強學生對基礎知識及基本理論的理解。3.教學以課堂講授為主，多媒體輔助教學，提高課堂教學信息量，增強教學的直觀性、形象性。4.通過課內討論與課外答疑、線下輔導與線上交流相結合的方式，調動學生學習的主觀能動性，培養(yǎng)學生的自學能力。四、課程教學內容及要求第一章矢量分析（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生掌握矢量概念以及矢量微分運算，掌握理解標量函數(shù)與矢量函數(shù)的概念，了解一般正交坐標系的互換表達式。2.教學要求（1）掌握矢量概念；（2）掌握單位矢量的微分運算。（3）理解標量函數(shù)與矢量函數(shù)的概念，了解一般正交坐標系的互換表達式?！窘虒W重點與難點】1.教學重點：厘清矢量函數(shù)與標量函數(shù)的概念。2.教學難點：各坐標系間的轉換?！窘虒W內容】1.1標量與矢量1.2矢量代數(shù)1.3常用正交坐標系1.4矢量分析【思政元素】矢量分析告訴同學們人類通過概括和總結的方式來理解世界，借助抽象符號來表示。從而學會分析問題時，抓主要矛盾，抓矛盾的主要方面的哲學思想。這在科學研究中是非常重要的能力。第二章場論基礎（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解場的概念。掌握方向導數(shù)與梯度、通量與散度、環(huán)量與旋度的概念。理解高斯定理、斯托克斯定理、格林定理和亥姆霍茲定理等基本定理。2.教學要求（1）理解場的概念。（2）掌握方向導數(shù)與梯度、通量與散度、環(huán)量與旋度。（3）理解高斯定理、斯托克斯定理、格林定理和亥姆霍茲定理，了解一般正交坐標系的互換表達式。【教學重點與難點】1.教學重點：梯度、散度、旋度的物理意義。2.教學難點：高斯定理、斯托克斯定理、格林定理和亥姆霍茲定理?！窘虒W內容】1.標量場與矢量場2.哈密頓算子與拉普拉斯算子3.標量場的方向導數(shù)與梯度4.矢量場的通量與散度5.矢量場的環(huán)量與旋度6.若干常用定理與場的分類【思政元素】場的概念告訴同學們，借助具象的物理模型對事物進行思考，培養(yǎng)同學們思維的具象化方法和習慣。這種具象的物理模型其實本身又是對于物質世界的抽象概括，在抽象的基礎上利用具象的方式有助于我們理解和探索事物的本質。第三章靜電場及其特性（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解電場中的基本物理量、電場基本規(guī)律。掌握高斯定理的適用范圍和利用它求解電場的方法。2.教學要求（1）理解電場中的基本物理量（包括電荷、電場強度、電極化強度、電位移矢量、電流密度）。（2）理解電場基本規(guī)律。掌握高斯定理的適用范圍和利用它求解電場的方法。（3）理解各種條件下的電場邊值條件?！窘虒W重點與難點】1.教學重點：（1）電場強度與庫侖定律；（2）高斯定理。2.教學難點：（1）靜電場的旋度和靜電場的電位；（2）靜電場的邊界條件?！窘虒W內容】1.電荷與電荷密度2.庫侖定律與電場強度3.真空中的靜電場方程4.電介質中的靜電場方程5.電位與電位差6.靜電場的邊界條件7.導體系統(tǒng)的電容8.靜電場的能量與力【思政元素】電荷作為物質帶電屬性的概念告訴同學們，反映物質屬性的概念又是并不是一個具體的事物，而是一類事物的總體表現(xiàn)。從而幫助同學們理解抽象與具體的本質關系問題。第四章恒定電場及其特性（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解電流及電流密度概念和定義，掌握電流連續(xù)性原理。理解恒定電場的基本方程和邊界條件。2.教學要求（1）理解電流及電流密度概念和定義，掌握電流連續(xù)性原理。（2）理解恒定電場的基本方程和邊界條件。（3）了解電流場的能量損耗。【教學重點與難點】1.教學重點：（1）電動勢，電流的連續(xù)性原理；（2）恒定電流場的邊界條件。2.教學難點：（1）電動勢的定義：（2）恒定電流場的邊界條件。【教學內容】1.電流與電流密度2.導電媒質中的歐姆定律和焦耳定律3.恒定電場方程4.恒定電場的邊界條件5.恒定電場與靜電場的比擬6.電導與接地電阻【思政元素】穩(wěn)態(tài)的概念告訴同學們，動態(tài)平衡和靜態(tài)概念的區(qū)別，同時，告訴同學們運動與靜止的相對性問題。第五章靜磁場及其特性（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解磁感應強度的定義。理解恒定磁場的基本方程,理解磁場強度,標量磁位及矢量磁位在不同分界面上的銜接條件。標量磁位及矢量磁位引入的依據(jù)及其性質。2.教學要求（1）理解磁感應強度的定義。（2）理解恒定磁場的基本方程,理解磁場強度,標量磁位及矢量磁位在不同分界面上的銜接條件。標量磁位及矢量磁位引入的依據(jù)及其性質。（3）了解媒質磁化的概念，掌握兩種位函數(shù)滿足的方程。會寫出位函數(shù)的邊值問題,并能求出一維邊值問題的解。（4）理解磁場的邊界條件?！窘虒W重點與難點】1.教學重點：（1）磁感應強度；（2）恒定磁場的基本方程。2.教學難點：（1）矢量磁位；（2）恒定磁場的邊界條件?！窘虒W內容】1.安培定律與磁感應強度2.真空中的靜磁場方程3.磁介質中的靜磁場方程4.矢量磁位與標量磁位5.靜磁場的邊界條件6.電感7.靜磁場的能量與力【思政元素】磁場作為電想象在光速情況下的表現(xiàn)，告訴同學們絕對和相對的關系問題，讓同學們理解到通過不同視角看同一事物的相對性，以及物質本質的相對穩(wěn)定性。第六章靜態(tài)場的計算（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解靜態(tài)場的定義與靜態(tài)場的邊值問題與唯一性定理。掌握鏡像法并理解分離變量法和有限差分法。2.教學要求（1）理解靜態(tài)場的定義。（2）理解靜態(tài)場的邊值問題與唯一性定理。（3）掌握鏡像法。（4）理解分離變量法和有限差分法?！窘虒W重點與難點】1.教學重點：鏡像法計算。2.教學難點：鏡像法在不同情況下的計算問題?！窘虒W內容】1.靜態(tài)場的邊值與唯一性定理2.鏡像法3.分離變量法4.有限差分法【思政元素】靜態(tài)場的計算方法，告訴同學們在解決問題時，可以通過分析和綜合的思維方式。通過將靜態(tài)模型來模擬緩慢動態(tài)問題，從而實現(xiàn)許多問題的解決。第七章時變電磁場及其特性（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生理解時變場的主要關系,麥克斯韋方程組的深刻內涵，理解時諧場的基本方程和邊界條件。理解坡印廷矢量的定義，會求解平均坡印廷矢量。2.教學要求（1）理解時變場的主要關系,麥克斯韋方程組的深刻內涵，理解時諧場的基本方程和邊界條件。（2）理解標量位和矢量位的基本概念，掌握位函數(shù)方程求解。（3）理解坡印廷矢量的定義，會求解平均坡印廷矢量。（4）了解正弦電磁場，理解麥克斯韋方程組的復數(shù)形式。【教學重點與難點】1.教學重點：位移電流，麥克斯位方程組及其復數(shù)形式。標量位和矢量位。2.教學難點：位函數(shù)方程的求解?！窘虒W內容】1.法拉第電磁感應定律2.位移電流3.麥克斯韋方程組與輔助方程4.時變電磁場的邊界條件5.場量與位函數(shù)的波動方程6.時變電磁場的能量與能流7.時諧電磁場【思政元素】麥克斯韋方程組的發(fā)現(xiàn)，告訴同學們：實踐和認識的辯證關系問題。實踐創(chuàng)造認識，認識又反作用與實踐。人類通過實踐掌握的大量知識，可以通過整理和挖掘創(chuàng)造出更深層的認識，從而更好地指導人類的實踐。第八章均勻平面波在無界媒質中傳播（6學時）【教學目標與要求】1.教學目標通常本章的學習，使學生掌握均勻平面波在無界空間的波表達式及其不同形式，理解各種極化方式的電磁波及其表達式，理解平面波在各類均勻線性介質中的傳播結果。2.教學要求（1）掌握均勻平面波在無界空間的波表達式及其不同形式，理解各種極化方式的電磁波及其表達式，理解平面波在各類均勻線性介質中的傳播結果。（2）理解平面電磁波對理想介質和理想導體平面的垂直入射和斜入射的過程和結果。（3）了解平面電磁波在等離子體和鐵氧體中的傳播。【教學重點與難點】1.教學重點：理想介質中平面電磁波的傳播特性與極化特性。2.教學難點：波動方程，介質表面的反射條件?！窘虒W內容】1.均勻平面電磁波2.理想介質中的均勻平面波傳播3.導電媒質中的均勻平面波傳播4.電磁波的特性【思政元素】電磁波傳播問題的解決過程，告訴同學們在解決實際問題時要學會抓住問題的本質，由表及里，由內而外地思考問題，不被表象所迷惑，透過現(xiàn)象看本質。表2課程目標與教學內容、教學方法的對應關系章教學內容學時分配（課時）課程目標教學方法目標1目標2目標3目標4方法1方法2方法3方法4一矢量分析6√√√√√二場論基礎6√√√√√三靜電場及其特性6√√√√√√√√四恒定電場及其特性6√√√√√√√五靜磁場及其特性6√√√√√√√√六靜態(tài)場的計算6√√√√√√√√七時變電磁場及其特性6√√√√√八均勻平面波在無界媒質傳播6√√√√√合計48課時五、考核方法與成績評定考核方式：考試課程考核由平時考核和期末考試兩個環(huán)節(jié)組成，相應的成績評定由平時成績（40%）和期末考試成績（60%）兩部分組成，詳細評定方法由課程考核方案規(guī)定。表3課程考核方式與課程目標的對應關系考核方式平時考核（40%）期末考試（60%