《電磁場論》課程教學(xué)大綱

1、理論課程大綱電磁場論Electromagnetic Field Theory【開課單位】 地球探測與信息技術(shù)系 【課程模塊】 學(xué)科基礎(chǔ) 【課程編號】 081502201291 【課程類別】 必修 【學(xué)時數(shù) 】 48 （理論 48 實踐 0 ） 【學(xué)分?jǐn)?shù) 】 3 備注：課程模塊為公共基礎(chǔ)、通識教育、學(xué)科基礎(chǔ)、專業(yè)知識或工作技能；課程類別為必修或選修。一、課程描述本課程教學(xué)大綱根據(jù)2016年本科人才培養(yǎng)方案進行修訂或制定。（一）教學(xué)對象本課程是勘查技術(shù)與工程（應(yīng)用地球物理方向）專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程，是該專業(yè)本科生的必修課之一，同時，也是地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的選修課。（二）教學(xué)目標(biāo)及選修要求1

2、、教學(xué)目標(biāo)（學(xué)生課程結(jié)束后達到的知識目標(biāo)、技能目標(biāo)和態(tài)度目標(biāo)三個層面）通過本課程教學(xué)，學(xué)生能夠掌握電場基本理論、磁場基本理論及電磁場基本理論，能夠?qū)﹄姶挪ㄔ诘叵陆橘|(zhì)中傳播的理論有系統(tǒng)、深入的理解，為后續(xù)的“電法勘探”、“磁法勘探”和 “重磁數(shù)據(jù)處理與解釋”等專業(yè)課奠定理論基礎(chǔ)，也為從事地球物理方向的研究工作打下良好基礎(chǔ)。通過本課程的教學(xué)，學(xué)生應(yīng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，善于邏輯推理、善于思考，善于用學(xué)過的知識解決實際問題，用理論聯(lián)系實際的方法學(xué)習(xí)后續(xù)課程。2、選修要求（簡要說明課程的性質(zhì)，與其他專業(yè)課程群的關(guān)系，選修學(xué)生應(yīng)具備的基本專業(yè)素質(zhì)和技能等）電磁場論主要講授電場、磁場及電磁場的相關(guān)知識，涉及

3、到微積分、普通物理學(xué)中的電磁學(xué)內(nèi)容以及求解偏微分方程的問題，是電法勘探、磁法勘探的先修課程，是將來從事地球物理勘探行業(yè)必備的基礎(chǔ)理論。選修學(xué)生應(yīng)具備高等微積分知識、普通物理學(xué)知識及求解偏微分方程定解問題的能力。（三）先修課程（參照2016版人才培養(yǎng)方案中的課程名稱，課程名稱要準(zhǔn)確）高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理III、數(shù)學(xué)物理方法二、教學(xué)內(nèi)容（一）緒論1、主要內(nèi)容： 0.1地球物理場論II主要涉及的研究領(lǐng)域0.2 場論的應(yīng)用與發(fā)展0.3學(xué)習(xí)目的、方法及要求0.4考核要求0.5矢量分析與場論（1）場的概念（2）標(biāo)量場的方向?qū)?shù)和梯度（3）矢量場的通量和散度（4）矢量場的環(huán)量和旋度（5）圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系（

4、6）亥姆霍茲定理2、教學(xué)要求：（按照掌握、理解、了解三個層次對學(xué)生學(xué)習(xí)提出要求）（1）了解什么場（2）掌握標(biāo)量場的方向?qū)?shù)和梯度的概念及計算方法（3）掌握矢量場的通量和散度概念及計算方法（4）掌握矢量場的環(huán)量和旋度概念及計算方法（5）了解圓柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系（6）了解亥姆霍茲定理3、重點、難點：本章重點：標(biāo)量場的方向?qū)?shù)和梯度的計算方法，矢量場的通量和散度概念的計算方法，矢量場的環(huán)量和旋度的計算方法本章難點：矢量場的通量和散度概念，矢量場的環(huán)量和旋度的概念4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：無（二）第一章 靜電場 1、主要內(nèi)容： 1.1電荷分布 庫侖定律 電場強度（1）電

5、荷分布：點電荷、線電荷、面電荷、體電荷（2）庫侖定律（3）電場強度，點電荷電場強度公式（4）場強舉例：電偶極子的場強、均勻帶電細(xì)圓環(huán)軸線上的電場1.2 靜電場第一、第二基本定律 高斯定理 E的環(huán)流（1）立體角（2）高斯定理及其應(yīng)用（3）E的環(huán)流，E的旋度，靜電場第二基本定律1.3電位 電位梯度（1）電位（2）電位梯度，場強與電位梯度的關(guān)系（3）電位的計算1.4電偶極子和偶電層的場（1）電偶極子的場（2）偶電層的場（3）通過偶電層時電位的突變1.5電介質(zhì)極化 極化電荷（1）靜電平衡時導(dǎo)體的特性（2）電介質(zhì)極化，極化強度（3）極化體電荷與極化強度的關(guān)系（4）極化面電荷與極化強度的關(guān)系1.6電介質(zhì)存

6、在時靜電場基本規(guī)律 電位移D（1）電介質(zhì)存在時場量的直接計算（2）電介質(zhì)存在時的高斯定理（3）電介質(zhì)存在時靜電場的計算1.7介質(zhì)交界處場量變化規(guī)律（1）交界面法向場分量的交界條件（2）交界面切向場分量的交界條件（3）交界處電位U的連續(xù)性1.8靜電位的微分方程 唯一性定理（1）靜電位的微分方程（2）唯一性定理1.9靜電場能量2、教學(xué)要求：（按照掌握、理解、了解三個層次對學(xué)生學(xué)習(xí)提出要求）（1）了解什么是點電荷、線電荷、面電荷、體電荷（2）掌握庫侖定律、電場強度的概念（3）了解立體角的概念（4）掌握靜電場第一、第二基本定律（5）了解電位和電位梯度的概念（6）掌握場強與電位的計算方法（7）理解場強與

7、電位梯度的關(guān)系（8）了解極化強度的概念，掌握極化體電荷與極化強度的關(guān)系，掌握極化面電荷與極化強度的關(guān)系（9）掌握電介質(zhì)存在時的高斯定理表達式（10）理解介質(zhì)交界處的場量交界條件（11）掌握靜電位的微分方程，了解唯一性定理的意義3、重點、難點：本章重點：靜電場第一、第二基本定律，場強和電位的計算方法，電介質(zhì)的極化方式，極化強度與極化電荷的關(guān)系，靜電位的微分方程本章難點：電介質(zhì)的極化，高斯定理（靜電場第一基本定律）的應(yīng)用，場強的計算4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：習(xí)題1-7、1-9、1-13、1-16、1-21、1-24（三）第二章 電像法 1、主要內(nèi)容：2.1平面界面的

8、電像法（1）無限大接地平面導(dǎo)體外一點電荷的靜電場（2）兩均勻電介質(zhì)交界面為無限大平面、一介質(zhì)內(nèi)有一點電荷的場（3）角域內(nèi)一點電荷的電像法（4）兩平行平面界面內(nèi)一點電荷的電像法2.2球面界面的電像法（1）接地導(dǎo)體球面外一點電荷的電場（2）無限大接地平面導(dǎo)體外一電位為U的導(dǎo)體球的電場2.3柱面界面的電像法（1）無限長介質(zhì)柱外一無限長線電荷的電場（2）兩帶等量異號電荷的無限長導(dǎo)體柱的電場2.4場分布的電像定性分析（1）兩均勻電介質(zhì)一點電荷場分布的定性分析（2）接地導(dǎo)體球外一點電荷場分布的定性分析2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）掌握平面界面電像法、球面界面電像法、柱面

9、界面電像法3、重點、難點：重點：求解無限大接地平面導(dǎo)體外一點電荷的電場的電像法，求解兩均勻電介質(zhì)交界面為平面、其中一介質(zhì)中有一點電荷的電場的電像法，求導(dǎo)體球（分接地和不接地兩種情況）外一點電荷的電場的電像法。難點：柱面界面的電像法 4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：習(xí)題2-2、2-3、2-5、2-8、2-12（四）第三章 穩(wěn)定電流電場 1、主要內(nèi)容：3.1歐姆定律 連續(xù)性方程（1）電流密度，歐姆定律的微分形式（2）電流連續(xù)性方程3.2供電電極表面附近的電荷和穩(wěn)定電流電場的場源3.3穩(wěn)定電流電場的建立和本質(zhì)（1）不同導(dǎo)電媒質(zhì)交界面附近電荷的累積與極化（2）交界面處的累積

10、電荷密度與極化電荷密度3.4穩(wěn)定電流電場的電位微分方程（1）電位微分方程 交界條件（2）交界面處電場強度的偏折規(guī)律3.5靜電類比法研究穩(wěn)定電流電場分布（1）靜電類比法（2）用靜電類比法解穩(wěn)定電流電場分布（3）用原電極與像電極定性分析電流分布3.6電荷分析法研究穩(wěn)定電流電場分布（1）電荷分析法（2）用原電荷、像電荷定性分析電場分布3.7地面對穩(wěn)定電流電場的影響（1）供電電極在地下（2）供電電極在地表面3.8與交界面垂直方向場定性分析（1）與交界面垂直方向電位的變化規(guī)律（2）與交界面垂直方向場強的變化規(guī)律2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）（1）掌握歐姆定律的微分形式

11、（2）掌握穩(wěn)定電流電場的電流連續(xù)性方程（3）掌握穩(wěn)定電流電場的本質(zhì)（4）掌握穩(wěn)定電流電場的電位微分方程（5）理解并掌握靜電類比法（6）理解并掌握電荷分析法（7）了解地面對穩(wěn)定電流電場的影響（8）了解與交界面垂直方向場的定性分析方法3、重點、難點：重點：歐姆定律的微分形式，穩(wěn)定電流電場的電流連續(xù)性方程，靜電類比法和電荷分析法求解穩(wěn)定電流電場問題。 難點：不同導(dǎo)電媒質(zhì)交界面處電荷的累積與極化，與交界面垂直方向場的定性分析 4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：習(xí)題3-1、3-2、3-4、3-5、3-9、3-11（五）第四章 穩(wěn)定磁場 1、主要內(nèi)容：4.1安培定律（1）電流的磁

12、效應(yīng)（2）安培定律4.2比奧-沙伐爾定律（1）畢奧-沙伐爾定律4.3磁場的矢位（1）磁場的矢位（2）磁矢位的選擇4.4元電流的磁場（1）元電流的磁場4.5磁介質(zhì)的磁化（1）磁介質(zhì)（2）分子電流（3）磁介質(zhì)的磁化4.6磁化電流與磁化強度的關(guān)系（1）磁化強度（2）磁化電流與磁化強度4.7穩(wěn)定磁場方程 第一、二基本定律（1）第一基本定律磁場中的高斯定律（2）第二基本定律安培環(huán)路定律（3）B、H、M之間的關(guān)系4.8 B和H的交界條件（1）B和H的法向交界條件（2）B和H的切向交界條件（3）B和H在界面兩側(cè)的偏折4.9磁荷 磁場強度 磁極化強度（1）磁荷，磁庫侖定律（2）磁偶極子的場 （3）H線和B線（

13、4）磁極化強度4.10靜磁場方程（1）靜磁場方程（2）磁荷體密度、磁荷面密度與磁極化強度的關(guān)系4.11磁標(biāo)位（1）磁標(biāo)位Um（2）磁標(biāo)位的微分方程4.12磁偶層的磁場（1）什么是磁偶層（2）磁偶層的磁場4.13鐵磁介質(zhì)存在時的磁場（1）鐵磁質(zhì)（2）鐵磁質(zhì)存在時的磁場4.14磁場能量（1）通電線圈的能量（2）磁場能量的場量表示2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）（1）掌握安培定律（2）掌握比奧-沙伐爾定律（3）掌握磁場矢位的計算（4）掌握元電流矢位的計算（5）了解磁介質(zhì)的磁化方式（6）掌握磁化電流與磁化強度的關(guān)系（7）掌握穩(wěn)定磁場中的第一、二基本定律（8）了解B和H

14、的交界條件（9）了解磁庫侖定律（10）了解磁荷體密度、磁荷面密度與磁極化強度的關(guān)系（11）了解什么是磁偶層（12）理解鐵磁質(zhì)的磁化機制3、重點、難點：重點：穩(wěn)定磁場的兩個基本實驗定律：安培定律和比奧-沙伐爾定律，磁化電流與磁化強度的關(guān)系，穩(wěn)定磁場中的第一、二基本定律。 難點：磁介質(zhì)的磁化方式， 磁化電流與磁化強度的關(guān)系。4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：習(xí)題：課后習(xí)題第9題（六）第五章 時變電磁場 1、主要內(nèi)容：5.1電磁感應(yīng)定律 麥克斯韋第一假設(shè)（1）法拉第電磁感應(yīng)定律（2）場變感應(yīng)（3）動生感應(yīng)（4）綜合感應(yīng)（5）E的普遍表達式5.2麥克斯韋第二假設(shè)（1）位移電流

15、（2）全電流定律5.3麥克斯韋方程組（1）麥克斯韋方程組（2）本構(gòu)方程5.4諧變電磁場方程（1）基本概念（2）場矢量的復(fù)數(shù)形式（3）定態(tài)電磁波的麥克斯韋方程5.5時變電磁場的交界條件（1）H、E 的切向交界條件（2）D、B 的法向交界條件5.6電磁場能量密度 坡印亭矢量（1）電磁場的能量和能量密度（2）電磁場的能流密度，坡印亭矢量，坡印亭定理2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）（1）了解什么是場變感應(yīng)，什么是動生感應(yīng)，掌握麥克斯韋第一假設(shè)（2）理解什么是位移電流，掌握麥克斯韋第二假設(shè)（3）掌握麥克斯韋方程組（4）了解定態(tài)電磁波的麥克斯韋方程組（5）了解時變電磁場的

16、交界條件（6）了解電磁場的能量和能量密度的計算（7）了解坡印亭矢量的概念（8）了解電磁場能量的場量表示形式3、重點、難點：重點：麥克斯韋的兩個假設(shè)，麥克斯韋方程組難點：坡印亭定理 4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：習(xí)題：課后習(xí)題第6題（七）第六章 電磁波的傳播 1、主要內(nèi)容：6.1理想電介質(zhì)中的電磁波方程（1）基本概念（2）電磁波方程（3）平面電磁波方程6.2理想電介質(zhì)中定態(tài)電磁波方程（1）定態(tài)電磁波方程亥姆霍茲方程（2）平面簡諧電磁波6.3平面電磁波的性質(zhì)6.4平面電磁波在無限均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中的傳播（1）時變場中導(dǎo)電媒質(zhì)內(nèi)的自由電荷分布（2）諧變電磁場在無界均勻?qū)щ娒?/p>

17、質(zhì)中的傳播（3）簡諧平面電磁波在均勻?qū)щ娒劫|(zhì)中的傳播（4）導(dǎo)電媒質(zhì)中E和H的位相關(guān)系6.5平面電磁波在良導(dǎo)電均勻媒質(zhì)中的傳播（1）趨膚效應(yīng)（2）電磁波在良導(dǎo)電媒質(zhì)中的相速度6.6相速度和群速度（1）相速度和群速度（2）相速度和群速度的關(guān)系6.7平面電磁波的偏振（1）平面電磁波的偏振（極化）（2）極化的分類（3）極化的判斷6.8波導(dǎo)管內(nèi)的電磁波（1）矩形波導(dǎo)管中的電磁波（2）橫電型波（TE波）與橫磁型波（TM波）（3）波導(dǎo)管的截止頻率（4）TE10波的電磁場2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）（1）了解什么是理想電介質(zhì)（2）了解自由空間的概念（3）掌握平面電磁波方程

18、的表達式（4）了解什么是定態(tài)電磁波（5）掌握亥姆霍茲方程（6）掌握平面電磁波的性質(zhì)（7）理解什么是趨膚效應(yīng)，理解趨膚厚度的概念（8）掌握相速度和群速度的概念（9）了解什么是波的偏振（10）了解什么是橫電型波、什么是橫磁型波、什么是橫電磁波（11）了解什么是波導(dǎo)管的截止頻率3、重點、難點：重點：亥姆霍茲方程，平面電磁波及其性質(zhì)，趨膚效應(yīng)，群速度和相速度 難點：波的偏振方式，相速度和群速度的關(guān)系4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：（如實驗、習(xí)題課、討論課、其它實踐活動）：補充習(xí)題（八）第七章 電磁波的輻射 1、主要內(nèi)容：7.1時變電磁場的矢位和標(biāo)位7.2達朗貝爾方程 規(guī)范不變性（1）規(guī)范不變性（2）達朗貝爾方程7.3達朗貝爾方程的解 推遲位2、教學(xué)要求： （按照掌握、理解、了解三個層次對課程內(nèi)容提出要求）（1）了解什么是規(guī)范不變性（2）掌握達朗貝爾方程（3）理解什么是推遲效應(yīng)3、重點、難點：重點：達朗貝爾方程，推遲效應(yīng)難點：達朗貝爾