電磁場(chǎng)與電磁波-教學(xué)大綱-2022版

《電磁場(chǎng)與電磁波》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱(中文)電磁場(chǎng)與電磁波(英文)ElectromagneticFieldandElectromagneticWave課程代碼TMP1060課程性質(zhì)工程基礎(chǔ)課(必修)開課院部物理與光電工程學(xué)院課程負(fù)責(zé)人課程團(tuán)隊(duì)授課學(xué)期第四學(xué)期學(xué)分/學(xué)時(shí)3學(xué)分/48學(xué)時(shí)課內(nèi)學(xué)時(shí)48理論學(xué)時(shí)48實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)0實(shí)訓(xùn)（含上機(jī)）0實(shí)習(xí)0其他0適用專業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)授課語言中文對(duì)先修的要求先修課程《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》、《電路》、《數(shù)學(xué)物理方法》。對(duì)后續(xù)的支撐對(duì)《微波技術(shù)》、《短距離無線通信技術(shù)》、《半導(dǎo)體物理》、《傳感器技術(shù)》、《光伏器件及應(yīng)用》和《顯示與照明》等后續(xù)課程提供必要的電磁場(chǎng)與電磁波理論知識(shí)。課程簡介本課程系統(tǒng)介紹了經(jīng)典電磁理論和電磁波的基本原理，重點(diǎn)講述如何解決電磁場(chǎng)問題，以及電磁波的傳播規(guī)律、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。作為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，該課程是射頻電子技術(shù)、無線通信技術(shù)和光電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)。本課程將采用基礎(chǔ)理論講解、應(yīng)用例子剖析和課堂討論相結(jié)合的教學(xué)方式，目的在于充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的主動(dòng)性，使其較好地理解理論知識(shí)并掌握相關(guān)問題的解決方法。Thiscoursesystematicallyintroducesthefundamentaltheoryofclassicelectromagneticsandelectromagneticwave,andfocusesonhowtosolvetheelectromagneticfieldproblemsandthebasiclaws,characteristics,applicationsofelectromagneticwave.AsanimportantfundamentalcourseofElectronicScienceandTechnologymajor,thecourseisthetheoreticalbaseofRFelectronictechnologies,wirelesscommunicationtechnologiesandphotoelectronictechnologies.Thecoursewilladoptteachingmethodsofbasictheoryexplanation,applicationexampleanalysisandclassroomdiscussion,thepurposeistogivefullplaytotheinitiativeofstudentsinlearningthecourse,sothattheycanunderstandthetheorywellandmastermethodsofsolvingrelatedproblems.二、課程目標(biāo)及對(duì)畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)的支撐序號(hào)課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)畢業(yè)要求1目標(biāo)1：使學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)靜態(tài)電磁場(chǎng)和電磁波傳播問題進(jìn)行建模并求解；觀測(cè)點(diǎn)1.2能夠針對(duì)電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的具體對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型并求解。畢業(yè)要求1.能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識(shí)用于解決電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)方面的復(fù)雜工程問題。2目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進(jìn)行分析的能力。觀測(cè)點(diǎn)2.2能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)知識(shí)對(duì)分解的電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析和表達(dá)。畢業(yè)要求2.能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和電子科學(xué)技術(shù)的基本原理，并通過查閱文獻(xiàn)和借助仿真軟件等手段，對(duì)電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)方面的復(fù)雜工程問題進(jìn)行識(shí)別、表達(dá)和分析，以獲取有效結(jié)論。三、課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配章節(jié)學(xué)時(shí)教學(xué)內(nèi)容學(xué)生學(xué)習(xí)的預(yù)期成果教學(xué)與評(píng)價(jià)方式支撐課程目標(biāo)第一章6緒論/矢量分析重點(diǎn)：三種正交坐標(biāo)系；梯度、散度、旋度的計(jì)算；無旋場(chǎng)、無散場(chǎng)；難點(diǎn)：梯度、散度、旋度的物理意義思政導(dǎo)入：1.講述我國古代對(duì)電和磁的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的文化自信和民族自豪感。2.講述電磁學(xué)的發(fā)展歷史，讓學(xué)生體會(huì)前輩科學(xué)家勇于探索，刻苦鉆研的精神。1.掌握標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)的概念及其運(yùn)算法則；2.掌握標(biāo)量場(chǎng)的梯度和矢量場(chǎng)的通量、散度、旋度的定義，及其在三種常用的正交曲線坐標(biāo)系中的表示形式。1.基本概念講解；2.課堂討論：（1）大學(xué)物理中常見的標(biāo)量場(chǎng)與矢量場(chǎng)有哪些？（2）梯度與等值面的關(guān)系？（3）有散與無散的差別？（4）有旋與無旋的差別？（5）柱坐標(biāo)和球坐標(biāo)是否屬于“正交曲線坐標(biāo)”？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1第二章10電磁場(chǎng)基本規(guī)律重點(diǎn)：電流連續(xù)性方程，三大實(shí)驗(yàn)定律，麥克斯韋方程組難點(diǎn)：極化、磁化的理解和計(jì)算思政導(dǎo)入：1.講述法拉第自學(xué)成才的故事，激勵(lì)學(xué)生積極進(jìn)取。2.通過介紹麥克斯韋方程組的建立過程，向?qū)W生展示一個(gè)新的物理理論的建立不是一朝一夕的，是很多科學(xué)家長期積累，厚積薄發(fā)的結(jié)果。以此幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀。了解電磁現(xiàn)象和電磁場(chǎng)規(guī)律；掌握經(jīng)典電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論及其數(shù)學(xué)表述。1.電磁現(xiàn)象解釋和基礎(chǔ)理論講解；2.課堂討論：（1）位移電流與傳導(dǎo)電流的差異性？（2）渦旋電場(chǎng)與電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)的差異性？（3）極化電荷與自由電荷的差別？（4）電磁介質(zhì)中存在哪幾種類型的電流？（5）利用麥克斯韋方程推導(dǎo)電磁場(chǎng)邊界條件有何規(guī)律？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1第三章12靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問題的解決方法重點(diǎn)：靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)；唯一性定理；鏡像法，分離變量法難點(diǎn)：鏡像法，分離變量法掌握靜電場(chǎng)、恒定電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)等靜態(tài)電磁場(chǎng)問題的分析方法；掌握靜態(tài)電磁場(chǎng)問題的鏡像法和分離變量法；了解一些靜態(tài)電磁場(chǎng)問題的應(yīng)用背景和有關(guān)結(jié)論。1.講授靜態(tài)電磁場(chǎng)問題的一些求解方法；2.課堂討論：（1）引入標(biāo)勢(shì)和矢勢(shì)的前提是什么？（2）鏡像法的應(yīng)用范圍？（3）分離變量法的應(yīng)用范圍？以及解的表示形式？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1目標(biāo)2第四章6時(shí)變電磁場(chǎng)重點(diǎn)：波動(dòng)方程，能量守恒定律時(shí)諧電磁場(chǎng)難點(diǎn)：時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)計(jì)算思政導(dǎo)入：簡單總結(jié)類比法在相關(guān)課程和歷史中的應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生通過類比電荷和能量的方法來理解能流等概念，并引導(dǎo)學(xué)生導(dǎo)出能量守恒定律，使學(xué)生體會(huì)到類比法可能導(dǎo)向科學(xué)發(fā)現(xiàn)和規(guī)律。了解時(shí)變電磁場(chǎng)的特點(diǎn)、規(guī)律和引入位函數(shù)的過程；掌握時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)形式、復(fù)矢量波動(dòng)方程和復(fù)波矢，以及復(fù)矢量場(chǎng)和平均能流密度的計(jì)算方法。1.講解時(shí)變電磁場(chǎng)中引入標(biāo)勢(shì)和矢勢(shì)的過程、兩種“規(guī)范”和達(dá)朗貝爾方程，重點(diǎn)講述時(shí)諧電磁場(chǎng)的復(fù)數(shù)形式及相關(guān)基礎(chǔ)理論；2.課堂討論：（1）電磁場(chǎng)復(fù)矢量與正弦穩(wěn)態(tài)電路中的相量有何不同？（2）復(fù)電容率的定義和復(fù)波矢的含義？（3）平均能量密度和平均能流密度的計(jì)算方法？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1第五章6均勻平面波在無界空間中的傳播重點(diǎn)：均勻平面波的在理想介質(zhì)和導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特點(diǎn)；電磁波的極化難點(diǎn)：導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播特點(diǎn)思政導(dǎo)入：講述赫茲驗(yàn)證電磁波的實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的歷史故事，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)審慎的科學(xué)精神。了解電磁波的特點(diǎn)及其在各種均勻媒質(zhì)中的傳播規(guī)律；掌握有關(guān)均勻平面電磁波和電磁波極化的概念及其數(shù)學(xué)表述；理解相速、群速和色散的含義。1.講解均勻平面電磁波的傳播規(guī)律，以及電磁波極化類型、相速、群速和色散的定義；2.課堂討論：（1）極化波的合成與分解。（2）相速和群速的區(qū)別？（3）色散的原因及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1目標(biāo)2第六章8均勻平面波的反射和透射重點(diǎn)：折射、反射定律；均勻平面電磁波在交界面處的反射系數(shù)和透射系數(shù)的計(jì)算方法；全反射，全透射難點(diǎn)：均勻平面電磁波對(duì)理想導(dǎo)體平面的斜入射思政導(dǎo)入：簡述折射定律發(fā)現(xiàn)的過程，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)科學(xué)史發(fā)展的一個(gè)重要范式即反復(fù)實(shí)驗(yàn)-發(fā)現(xiàn)規(guī)律-數(shù)學(xué)表述，讓學(xué)生能夠真切感受到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性、踏實(shí)性、規(guī)范性。了解電磁波在不同媒質(zhì)交界面處的傳播規(guī)律，以及反射定律、折射定律和全反射的物理機(jī)理；掌握均勻平面電磁波在交界面處的反射系數(shù)和透射系數(shù)的計(jì)算方法，以及多層介質(zhì)的反射和透射問題的求解方法；了解一些典型工程應(yīng)用例子和結(jié)論。1.講解電磁波的反射定律、折射定律和全反射的物理機(jī)理；推導(dǎo)垂直入射和斜入射時(shí)反射系數(shù)和折射系數(shù)的計(jì)算公式，并介紹一些典型應(yīng)用例。2.課堂討論：（1）什么情況下，反射波會(huì)出現(xiàn)半波損失？（2）菲涅爾公式是否可用于垂直入射情況？（3）全反射時(shí)，反射波的相位和極化類型有何變化？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測(cè)。目標(biāo)1目標(biāo)2合計(jì)48四、課程考核序號(hào)課程目標(biāo)（支撐畢業(yè)要求觀測(cè)點(diǎn)）考核內(nèi)容評(píng)價(jià)依據(jù)及成績比例(%)成績比例(%)章節(jié)小測(cè)驗(yàn)作業(yè)/報(bào)告考試1目標(biāo)1：使學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)靜態(tài)電磁場(chǎng)和電磁波傳播問題進(jìn)行建模并求解；（支撐觀測(cè)點(diǎn)1.2）（1）是否能夠系統(tǒng)掌握經(jīng)典電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。（2）能否運(yùn)用經(jīng)典電磁場(chǎng)理論分析和求解靜態(tài)場(chǎng)以及電磁波傳輸問題。51550702目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進(jìn)行分析的能力。（支撐觀測(cè)點(diǎn)2.2）能否對(duì)電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)中涉及到的電磁場(chǎng)的分布和電磁波傳輸問題進(jìn)表達(dá)、分析和求解。552030合計(jì)102070100注：各類考核評(píng)價(jià)的具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見《附錄：各類考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表》五、教材及參考資料1.教材《電磁場(chǎng)與電磁波》，謝處方，饒克瑾編，北京：高等教育出版社，2019，第5版。2.主要參考書[1]DavidK.Cheng編著，何業(yè)軍等翻譯，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第2版），清華大學(xué)出版社，2013年2月出版[2]\o"焦其祥"焦其祥編，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第二版），科學(xué)出版社，2015年12月出版。[3]\o"焦其祥"焦其祥編，《電磁場(chǎng)與電磁波習(xí)題精解》，科學(xué)出版社，2015年12月出版。[4]楊儒貴編，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第2版），高等教育出版社，2013年6月出版。[5]金立軍編，《電磁場(chǎng)與電磁波》，中國電力出版社，2012年3月出版。[6]馮恩信編著，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第3版），西安交通大學(xué)出版社，2010年12月出版。[7]王家禮等編著，《電磁場(chǎng)與電磁波》（第三版），西安電子科技大學(xué)出版社，2009年8月出版。[8]王謀，孟浩，編，《電磁場(chǎng)與電磁波（第四版）同步輔助及習(xí)題全解》，水利水電出版社，2013年8月出版。[9]胡友秋等編著，《電磁學(xué)與電動(dòng)力學(xué)（第二版）》.科學(xué)出版社,2014年6月出版。.六、教學(xué)條件多媒體教室附錄：課程考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)課程考試評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)目標(biāo)要求評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重（%）90-10080-8960-790-59目標(biāo)1：使學(xué)生學(xué)會(huì)對(duì)靜態(tài)電磁場(chǎng)和電磁波傳播問題進(jìn)行建模并求解。正確理解電磁現(xiàn)象,完全掌握經(jīng)典電磁場(chǎng)與電磁波的理論知識(shí)，完全掌握電磁場(chǎng)的分布和電磁波的傳輸問題。較好掌握經(jīng)典電磁場(chǎng)與電磁波的理論知識(shí)及其應(yīng)用領(lǐng)域，在考核中能正確解答大部分的基礎(chǔ)理論題?；菊莆战?jīng)典電磁場(chǎng)與電磁波的理論知識(shí)及其應(yīng)用領(lǐng)域，在考核中能正確解答一半以上基礎(chǔ)理論問題。還沒系統(tǒng)掌握經(jīng)典電磁場(chǎng)與電磁波的理論知識(shí)，在考核中一半以上基礎(chǔ)理論題不會(huì)解答。70目標(biāo)2：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子器件和應(yīng)用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進(jìn)行分析的能力。掌握電磁場(chǎng)與電磁波問題的解決方法，并在考核中能正確解答所有電子器件和電子系統(tǒng)中涉及到的相關(guān)問題。較好掌握電磁場(chǎng)與電磁波問題的解決方法，在考核中能解答大部分電子器件和電子系統(tǒng)中涉及到的相關(guān)問題?；菊莆针姶艌?chǎng)與電磁波問題的解決方法，在考核中能解答一半以上電子器件和電