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电磁场与波Electromagnetic Fieldsand Waves课程代码03410041学分
3.5学时56(其中课堂教学学时56实验学时上机学时0课程实践学时0)先修课程高等数学(包括矢量分析与场论),大学物理(电磁学部分)适用专业光电信息科学与工程教材David K.Cheng.Field andWave of Electromagnetics,Second Edition.影印本.北京清华大学出版社,2007
一、课程性质与课程目标(-)课程性质(需说明课程对人才培养方面的贡献)《电磁场与波》是高等学校光电信息科学与工程专业必修的专业基础课,也可作为电气与电子信息类各专业本科生继“电路”之后必修的重要主干课程通过本课程的学习,培养学生掌握电子电路和设备的电磁兼容分析和设计等工程科学技术中所需要的宏观电磁场与电磁波理论知识,即宏观电磁场与电磁波的基本性质和基本规律及其工程应用的基本分析计算方法使学生对工程中的电磁场与电磁波问题能进行初步分析;对一些基本的、简单的电磁场与电磁波物理问题建立数学模型进行计算;使学生更深入地了解电磁信号传输的本质;为进一步学习相关的专业技术知识准备必要的理论基础
(二)课程目标(根据课程特点和对毕业要求的贡献,确定课程目标应包括知识目标和能力目标)课程目标1:能培养学生用场的理论和波动理论来分析解决所遇到的相应的实际问题,了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理;课程目标2能够将电磁场和电磁波问题归结为解析解和数值求解问题并完成计第
(三)课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求1和毕业要求
21.毕业要求1-2具有解决光电信息工程问题所需的工程基础知识及其应用能力,占该指标点达成度的20%;
2.毕业要求2-1能够将数学、自然科学基本原理运用于光电信息工程问题的表述,占该指标点达成度的10%目标课程目标1课程目标2毕业要求指毕业要求1-2V毕业要求2-1V
二、课程内容与教学要求第一章绪论The ElectromagneticModel电磁模型一课程内容1Introduction弓|言2The ElectromagneticModel电磁模型3SI Unitsand UniversalConstant国际单位制和普适常数二教学要求4掌握电磁场学的基本研究方法;5知道电磁学中基本电磁场物理量;6知道国际单位制中基本物理量和普适常数;三重点与难点7重点电磁学中基本电磁场物理量;8难点电磁场学的基本研究方法;第二章矢量分析Vector Analysis一课程内容9Introduction弓|言10Vector Additionand Subtraction矢量的加减法11Products ofVectors矢量乘积12Orthogonal CoordinateSystems正交坐标系13Integrals ContainingVector Functions矢量函数积分14Gradient ofa ScalarField标量场的梯度15Divergence ofa VectorField矢量场的散度16Divergence Theorem散度定理17Curl ofa VectorField s矢量场的梯度18Stokess Theorem斯托克斯定理19Two NullIdentities两零恒等式20Helmholtzs Theorem赫姆霍兹定理二教学要求1熟练掌握矢量的表示方法,矢量的加、减、乘法运算等矢量代数运算;2掌握矢量场的空间位置点和矢量在正交曲面坐标系和三种常用坐标系中的表示方法,掌握正交曲面坐标系和三种常用坐标系中的微分线元、面元及体元的表示,理解度量系数的含义,了解在三种常用坐标系之间矢量场的坐标分量之间的关系,掌握矢量积分计算,知道两零恒等式及其应用;3理解梯度、散度、旋度的概念,掌握在直角坐标系中梯度、散度、旋度的运算,了解在圆柱和圆球坐标系中梯度、散度、旋度的运算,知道两零恒等式及其应用;4理解高斯定理、斯托克斯定理、亥姆霍兹定理三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点是三种常用坐标系中的微分线元、面元及体元的表示,梯度、散度、旋度的概念及运算,高斯定理、斯托克斯定理的应用;2难点是旋度的运算和亥姆霍兹定理的理解第三章Static ElectricFields静电场-课程内容1Introduction弓|言2Fundamental Postulatesof Electrostaticsin FreeSpace自由空间中静电学基本假设3Coulombs Law库仑定律4Gausss Lawand Applications高斯定理及应用5Electric Potential电位6Conductors inStatic ElectricField静电场中的导体7Dielectrics inStatic ElectricField静电场中的介质8Electric FluxDensity andDielectric Constant电通量密度与介电常数9Boundaiy Conditionsfor ElectrostaticFields静电场的边界条件10Capacitance andCapacitors电容和电容器11Electrostatic Energyand Forces电场能量和电场力二教学要求I知道自由空间中静电场的两个基本假设,理解库仑定律的意义,会利用高斯定理计算电荷对称分布的电场;12握电位的概念以及电位与电场强度及电荷密度的关系,会由电荷密度或电场分布计算电位,和由电位计算电场;13握导体在静电场的特性,理解静电屏蔽的原理,知道导体的边值条件;4了解介质极化、极化强度及束缚电荷的概念;掌握介质中的静电场方程、电位方程掌握电位移矢量和介电常数的概念;5掌握静电场的边界条件;6掌握电容的概念;了解部分电容的概念;会计算一些典型的简单导体结构的电容;7掌握电场能量和能量密度的概念;掌握用虚功原理计算电场力三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点是点电荷、线电荷、面电荷的电场的计算,利用高斯定理计算对称分布电荷的电场,电位的概念以及电位与电场强度及电荷密度的关系,电场能量和能量密度的概念,用虚功原理计算电场力;2难点是由电位计算电场,高斯定理的应用,束缚电荷、电场能量和能量密度的概念,用虚功原理计算电场力第四章Solution ofElectrostatic Problems静电问题的求解一课程内容1Introduction弓|言2Poissons andLaplace*s Equations泊松方程和拉普拉斯方程3Uniqueness ofElectrostatic Solutions静电问题解的唯一,性4Method ofImages镜像法5Boundary-Value Problemsin CartesianCoordinates笛卡尔坐标系中的边值问题6Boundary-Value Problemsin CylindricalCoordinates圆柱坐标系中的边值问题7Boundary-Value Problemsin SphericalCoordinates圆球坐标系中的边值问题二教学要求8掌握静电场电位泊松方程和拉普拉斯方程;9理解静电问题解的唯一性的条件;10握镜像法求解静电场的问题;4了解静电场在三种常用坐标系中的边值问题求解三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点镜像法求解静电场的问题;2难点静电问题解的唯一性的理解第五章Steady ElectricCurrents恒定电流一课程内容1Introduction弓I言2Current Densityand OhmsLaw电流密度和欧姆定律3Electromotive Forceand KirchhoffsVoltage Law电动势和基尔霍夫的电压定律4Equation ofContinuity andKirchhoffs CurrentLaw连续性方程和基尔霍夫电流定律5Power Dissipationand JoulesLaw功率损耗和焦耳定律6Boundary Conditionsfor CurrentDensity电流密度边界条件7Resistance Calculations电阻的计算二教学要求1理解电流密度的概念,掌握欧姆定律和电阻的计算方法;2理解电动势的概念和基尔霍夫的电压定律;3掌握电流连续性方程、电流密度的边界条件和基尔霍夫电流定律;4理解功率损耗和焦耳定律三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点是电流密度的概念,恒定电流场方程、边界条件;2难点电动势的概念和恒定电流场方程、边界条件第六章Static Magnetic Fields静磁场一课程内容1Introduction弓|言2Fundamental Postulatesof Magnetostaticsin FreeSpace自由空间中静磁学基本假设3Vector MagneticPotential矢量磁位4The Biot-Savart Lawand Applications毕奥-萨伐尔定律及应用5The MagneticDipole磁偶极子6Magnetization andEquivalent CurrentDensities磁化和等效电流密度7MagneticFieldIntensity andRelative Permeability磁场强度和相对磁导率8Magnetic Circuits磁路9Behavior ofMagnetic Materials磁性材料10Boundary Conditionsfor MagnetostaticFields静磁场的边界条件11Inductances andInductors电感和电感器12Magnetic Energy磁场能量13Magnetic Forcesand Torques磁场力和力矩二教学要求14道自由空间中静磁场的两个基本假设,理解矢量磁位概念,知道矢量磁位泊松方程及其在直角坐标系中点的解;15解毕奥-萨伐尔定律,会利用毕奥-萨伐尔定律计算磁场强度;3了解磁偶极子及其远场区的磁场特点;4理解介质磁化、磁化强度、磁化电流的概念,了解磁荷的概念;5理解磁场强度、磁化率、磁导率的概念及安培环路定理,会利用安培环路定律计算一些典型的具有对称电流分布的磁场;6会一些简单结构磁路的计算,了解磁性材料的特点;7掌握静磁场边界条件8理解磁链、电感系数、互感系数的概念,会一些简单结构电感的计算,了解磁性材料的特占・
八、、97理解磁场能量和能量密度的概念,掌握磁场能量的计算和用虚功原理计算磁场力三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点是静磁场的场方程,利用毕奥-萨伐尔定律、安培环路定律和矢量磁位计算磁感应强度,磁场强度、磁化率、磁导率的概念,静磁场边界条件,磁场能量的计算和用虚功原理计算磁场力;2难点是毕奥-萨伐尔定律计算磁场强度,矢量磁位的概念,磁场能量的计算和用虚功原理计算磁场力第七章Time-Varying Fieldsand MaxwelFs Equations时变电磁场和麦克斯韦方程一课程内容1Introduction弓I言2Faradays LawofElectromagneticInduction法拉第电磁感应定律3MaxwelFsEquations麦克斯韦方程4Potential Functions位函数5Electromagnetic BoundaryConditions电磁场的边界条件6Wave Equationsand TheirSolutions波动方程及其解7Time-Harmonic Fields时谐场二教学要求1掌握法拉第电磁感应定律及其应用;2理解位移电流的概念;掌握麦克斯韦方程及其意义;3掌握位函数及其方程、位函数求解,理解滞后位;4掌握时变电磁场边界条件;5掌握波动方程及其解;6掌握时谐电磁场场的相量表示三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明1重点是法拉第电磁感应定律及应用,麦克斯韦方程和波动方程的求解,电磁场的边界条件;2难点是位移电流、滞后位概念及位函数求解,电磁场的边界条件第八章Plane ElectromagneticWaves平面电磁波一课程内容1Introduction弓|言2Plane Wavesin LosslessMedia无损耗介质中的平面波3Plane Wavesin LossyMedia有损耗媒质中的平面波4Group Velocity群速度5Flow ofElectromagnetic Powerand thePoynting Vector电磁功率流和坡印廷矢量流6Normal Incidenceat aPlane ConductingBoundary垂直入射平面导体边界7Oblique Incidenceat aPlane ConductingBoundary斜入射平面导体边界8Normal Incidenceat aPlane DielectricBoundary垂直入射平面介质边界9Normal Incidenceat MultipleDielectric Interfaces垂直入射多层介质分界面10Oblique Incidenceat aPlane DielectricBoundary斜入射平面介质边界二教学要求11握无损耗介质中的平面波的性质,理解波长、波阻抗、相速的概念和多普勒效应,掌握电磁波线极化、圆极化和椭圆极化的判别方法;12握导电媒质中的均匀平面波的性质,了解等离子体的概念;13了解群速的概念,理解电磁功率流、坡印廷矢量的概念和坡印廷定理;14握反射系数、驻波、输入阻抗的概念;会计算平面波垂直投射到导体、介质和多层媒质的反射和透射问题15握平面波斜投射到导体、理想介质界面的反射和透射问题;掌握斯涅尔定律全反射、全透射、界面相位条件三重点与难点若不单独列出,需在教学要求中适当注明16点掌握均匀平面波在理想介质中和在损耗媒质中的传播特性;电磁波的极化特性;均匀平面波对平面分界面的垂直入射和斜入射反射和透射问题17点是坡印廷矢量的概念和坡印廷定理的理解,极化波的判别,平行极化波和垂直极化波的反射系数和透射系数的计算
三、学时分配及教学方法章教学形式及学时分配按序填写主要教学方法支撑的课程目标课堂实课程教学验上机实践小计第一章22讲授法目标
1、2AA-一工”一第一早88讲授法目标2第三章1010讲授法、讨论法目标
1、2第四章66讲授法、讨论法目标
1、2第五章44讲授法、讨论法目标
1、2第八早1010讲授法、讨论法目标
1、2第七章66讲授法目标
1、2第八章1010讲授法、讨论法目标
1、2合计5656注
1.课程实践学时按相关专业培养计划列入表格;18教学方法包括讲授法、讨论法、演示法、研究型教学方法(基于问题、项目、案例等教学方法)等
四、课程考核考核权支撑的课程考核形式考核要求备注重目标以随机的形式,在每章内容进行中或结束后,随堂测试1-3题,主要考核学生课堂的听课效果和课后及时复习课堂表现15%目标
1、2消化本章知识的能力,结合平时的随机点名,进行综合考核课后完成60-80个习题,主要考核学生对每章知识点的平时作业15%目标
1、2复习、理解和掌握程度,计算全部作业的平均成绩米用闭卷考试,试卷题型包括选择题、证明题、计算题等其中考核矢量分析知识题目占15%,考核静电场内容题目占25%,考核静磁场内容题目占20%,考核时变场期末考试70%目标
1、2内容题目占20%,考核平面电磁波传播内容题目占20%
五、课程目标达成度评价课程目标达成度计算表如下:实际评测结果对应考核形式对应总分达成度课程目标(学生达到的平均水平)达成度=实际平时成绩、期末(课堂表现xl5%+平时作业X15%)30/2++期末考试对应试题总课程目标1测评结果/对考试/2+期末考试对应试题平均分x50%分x50%应总分达成度=实际测平时成绩、期末(课堂表现xl5%+平时作业X15%)30/2++期末考试对应试题总课程目标2评结果/对应总考试/2+期末考试对应试题平均分x50%分x50%分
六、参考书目及学习资料(书名,主编,出版社,出版时间及版次)
1.Huseyin R.Hiziroglu,Electromagnetic FieldTheory Fundamentals,Bhag SinghGuru,d匕京机械工业出版社,2002年8月第一版
2.《电磁场与电磁波》,冯恩信主编,西安交通大学出版社,2016年3月第4版
七、大纲说明(内容可包括课程基本要求、习题要求及其它一些必要的说明)
1、采用多媒体教学手段,配合例题的讲解及适当的思考题,保证讲课进度的同时,注意学生的掌握程度和课堂的气氛;
2、每次课后布置2〜4条作业,作业总量约为80题,占成绩考核的20%可另行布置一些思考题供学生理解教学内容适当布置学生查阅有关文献,扩展知识面一」2017年09月30日。