電磁場與電磁波-教學大綱-2022版

《電磁場與電磁波》課程教學大綱一、課程基本信息課程名稱(中文)電磁場與電磁波(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院課程負責人課程團隊授課學期第四學期學分/學時3學分/48學時課內(nèi)學時48理論學時48實驗學時0實訓（含上機）0實習0其他0適用專業(yè)電子科學與技術(shù)授課語言中文對先修的要求先修課程《高等數(shù)學》、《大學物理》、《電路》、《數(shù)學物理方法》。對后續(xù)的支撐對《微波技術(shù)》、《短距離無線通信技術(shù)》、《半導體物理》、《傳感器技術(shù)》、《光伏器件及應用》和《顯示與照明》等后續(xù)課程提供必要的電磁場與電磁波理論知識。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，重點講述如何解決電磁場問題，以及電磁波的傳播規(guī)律、技術(shù)特點和應用領(lǐng)域。作為電子科學與技術(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、應用例子剖析和課堂討論相結(jié)合的教學方式，目的在于充分發(fā)揮學生學習本課程的主動性，使其較好地理解理論知識并掌握相關(guān)問題的解決方法。Thiscoursesystematicallyintroducesthefundamentaltheoryofclassicelectromagneticsandelectromagneticwave,andfocusesonhowtosolvetheelectromagneticfieldproblemsandthebasiclaws,characteristics,applicationsofelectromagneticwave.AsanimportantfundamentalcourseofElectronicScienceandTechnologymajor,thecourseisthetheoreticalbaseofRFelectronictechnologies,wirelesscommunicationtechnologiesandphotoelectronictechnologies.Thecoursewilladoptteachingmethodsofbasictheoryexplanation,applicationexampleanalysisandclassroomdiscussion,thepurposeistogivefullplaytotheinitiativeofstudentsinlearningthecourse,sothattheycanunderstandthetheorywellandmastermethodsofsolvingrelatedproblems.二、課程目標及對畢業(yè)要求觀測點的支撐序號課程目標支撐畢業(yè)要求觀測點畢業(yè)要求1目標1：使學生學會對靜態(tài)電磁場和電磁波傳播問題進行建模并求解；觀測點1.2能夠針對電子科學與技術(shù)領(lǐng)域的具體對象建立數(shù)學模型并求解。畢業(yè)要求1.能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)、專業(yè)知識用于解決電子器件和應用電子系統(tǒng)方面的復雜工程問題。2目標2：培養(yǎng)學生對電子器件和應用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進行分析的能力。觀測點2.2能夠運用數(shù)學、自然科學和電子科學技術(shù)專業(yè)知識對分解的電子器件和應用電子系統(tǒng)復雜工程問題進行分析和表達。畢業(yè)要求2.能夠應用數(shù)學、自然科學和電子科學技術(shù)的基本原理，并通過查閱文獻和借助仿真軟件等手段，對電子器件和應用電子系統(tǒng)方面的復雜工程問題進行識別、表達和分析，以獲取有效結(jié)論。三、課程教學內(nèi)容及學時分配章節(jié)學時教學內(nèi)容學生學習的預期成果教學與評價方式支撐課程目標第一章6緒論/矢量分析重點：三種正交坐標系；梯度、散度、旋度的計算；無旋場、無散場；難點：梯度、散度、旋度的物理意義思政導入：1.講述我國古代對電和磁的認識，提高學生的文化自信和民族自豪感。2.講述電磁學的發(fā)展歷史，讓學生體會前輩科學家勇于探索，刻苦鉆研的精神。1.掌握標量場和矢量場的概念及其運算法則；2.掌握標量場的梯度和矢量場的通量、散度、旋度的定義，及其在三種常用的正交曲線坐標系中的表示形式。1.基本概念講解；2.課堂討論：（1）大學物理中常見的標量場與矢量場有哪些？（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）柱坐標和球坐標是否屬于“正交曲線坐標”？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測。目標1第二章10電磁場基本規(guī)律重點：電流連續(xù)性方程，三大實驗定律，麥克斯韋方程組難點：極化、磁化的理解和計算思政導入：1.講述法拉第自學成才的故事，激勵學生積極進取。2.通過介紹麥克斯韋方程組的建立過程，向?qū)W生展示一個新的物理理論的建立不是一朝一夕的，是很多科學家長期積累，厚積薄發(fā)的結(jié)果。以此幫助學生樹立正確的科學觀。了解電磁現(xiàn)象和電磁場規(guī)律；掌握經(jīng)典電磁場的基礎(chǔ)理論及其數(shù)學表述。1.電磁現(xiàn)象解釋和基礎(chǔ)理論講解；2.課堂討論：（1）位移電流與傳導電流的差異性？（2）渦旋電場與電荷產(chǎn)生的電場的差異性？（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電磁場邊界條件有何規(guī)律？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測。目標1第三章12靜態(tài)電磁場邊值問題的解決方法重點：靜電場、恒定電場和靜磁場；唯一性定理；鏡像法，分離變量法難點：鏡像法，分離變量法掌握靜電場、恒定電場和靜磁場等靜態(tài)電磁場問題的分析方法；掌握靜態(tài)電磁場問題的鏡像法和分離變量法；了解一些靜態(tài)電磁場問題的應用背景和有關(guān)結(jié)論。1.講授靜態(tài)電磁場問題的一些求解方法；2.課堂討論：（1）引入標勢和矢勢的前提是什么？（2）鏡像法的應用范圍？（3）分離變量法的應用范圍？以及解的表示形式？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測。目標1目標2第四章6時變電磁場重點：波動方程，能量守恒定律時諧電磁場難點：時諧電磁場的復數(shù)計算思政導入：簡單總結(jié)類比法在相關(guān)課程和歷史中的應用，引導學生通過類比電荷和能量的方法來理解能流等概念，并引導學生導出能量守恒定律，使學生體會到類比法可能導向科學發(fā)現(xiàn)和規(guī)律。了解時變電磁場的特點、規(guī)律和引入位函數(shù)的過程；掌握時諧電磁場的復數(shù)形式、復矢量波動方程和復波矢，以及復矢量場和平均能流密度的計算方法。1.講解時變電磁場中引入標勢和矢勢的過程、兩種“規(guī)范”和達朗貝爾方程，重點講述時諧電磁場的復數(shù)形式及相關(guān)基礎(chǔ)理論；2.課堂討論：（1）電磁場復矢量與正弦穩(wěn)態(tài)電路中的相量有何不同？（2）復電容率的定義和復波矢的含義？（3）平均能量密度和平均能流密度的計算方法？3.課后作業(yè)/章節(jié)小測。目標1第五章6均勻平面波在無界空間中的傳播重點：均勻平面波的在理想介質(zhì)和導電媒質(zhì)中的傳播特點；電磁波的極化難點：導電媒質(zhì)中的傳播特點思政導入：講述赫茲驗證電磁波的實驗過程中發(fā)現(xiàn)光電效應的歷史故事，引導學生學習科學家嚴謹審慎的科學精神。了解電磁波的特點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）色散的原因及其對信號傳輸?shù)挠绊懀?.課后作業(yè)/章節(jié)小測。目標1目標2第六章8均勻平面波的反射和透射重點：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)的計算方法；全反射，全透射難點：均勻平面電磁波對理想導體平面的斜入射思政導入：簡述折射定律發(fā)現(xiàn)的過程，引導學生體會科學史發(fā)展的一個重要范式即反復實驗-發(fā)現(xiàn)規(guī)律-數(shù)學表述，讓學生能夠真切感受到科學研究的嚴謹性、踏實性、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理；推導垂直入射和斜入射時反射系數(shù)和折射系數(shù)的計算公式，并介紹一些典型應用例。2.課堂討論：（1）什么情況下，反射波會出現(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，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。目標1目標2合計48四、課程考核序號課程目標（支撐畢業(yè)要求觀測點）考核內(nèi)容評價依據(jù)及成績比例(%)成績比例(%)章節(jié)小測驗作業(yè)/報告考試1目標1：使學生學會對靜態(tài)電磁場和電磁波傳播問題進行建模并求解；（支撐觀測點1.2）（1）是否能夠系統(tǒng)掌握經(jīng)典電磁場的基礎(chǔ)理論知識。（2）能否運用經(jīng)典電磁場理論分析和求解靜態(tài)場以及電磁波傳輸問題。51550702目標2：培養(yǎng)學生對電子器件和應用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進行分析的能力。（支撐觀測點2.2）能否對電子器件和應用電子系統(tǒng)中涉及到的電磁場的分布和電磁波傳輸問題進表達、分析和求解。552030合計102070100注：各類考核評價的具體評分標準見《附錄：各類考核評分標準表》五、教材及參考資料1.教材《電磁場與電磁波》，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，《電磁場與電磁波》（第2版），清華大學出版社，2013年2月出版[2]\o"焦其祥"焦其祥編，《電磁場與電磁波》（第二版），科學出版社，2015年12月出版。[3]\o"焦其祥"焦其祥編，《電磁場與電磁波習題精解》，科學出版社，2015年12月出版。[4]楊儒貴編，《電磁場與電磁波》（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，《電磁場與電磁波》（第3版），西安交通大學出版社，2010年12月出版。[7]王家禮等編著，《電磁場與電磁波》（第三版），西安電子科技大學出版社，2009年8月出版。[8]王謀，孟浩，編，《電磁場與電磁波（第四版）同步輔助及習題全解》，水利水電出版社，2013年8月出版。[9]胡友秋等編著，《電磁學與電動力學（第二版）》.科學出版社,2014年6月出版。.六、教學條件多媒體教室附錄：課程考核評分標準課程考試評分標準教學目標要求評分標準權(quán)重（%）90-10080-8960-790-59目標1：使學生學會對靜態(tài)電磁場和電磁波傳播問題進行建模并求解。正確理解電磁現(xiàn)象,完全掌握經(jīng)典電磁場與電磁波的理論知識，完全掌握電磁場的分布和電磁波的傳輸問題。較好掌握經(jīng)典電磁場與電磁波的理論知識及其應用領(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)典電磁場與電磁波的理論知識及其應用領(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)典電磁場與電磁波的理論知識，在考核中一半以上基礎(chǔ)理論題不會解答。70目標2：培養(yǎng)學生對電子器件和應用電子系統(tǒng)中涉及的電磁問題進行分析的能力。掌握電磁場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?；菊莆针姶艌雠c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