电磁场原理授课教案.doc

电磁场原理课程教案　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第1章 矢量分析

课程教案
（按章编写）
课程名称：电磁场原理
适用专业：电气工程及自动化
年级、学年、学期： 2年级，学年第二学期
教材：《电磁场原理》，俞集辉主编，重庆大学出版社，2007.2
参考书：《工程电磁场导论》，冯慈璋主编，高等教育出版社2000年6月
《电磁场与电磁波》第三版，谢处方、饶克谨编，赵家升、袁敬闳修订，高等教育出版社1999年6月 第三版
《工程电磁场原理》倪光正主编，，高等教育出版社，2002
《电磁场》雷银照编， 高等教育出版社 2008年6月
《Electromagnetic fields and waves》Robert R. G. 等编著, Higher Education Press, 2006

任课教师：汪泉弟 俞集辉 何为 李永明 张淮清 杨帆 徐征
编写时间：2010年1月
学时分配：
矢量分析： 6学时；
静电场： 12学时；
恒定电场： 4学时；
恒定磁场： 10学时；
时变场： 12学时；
平面电磁场： 8学时；
导行电磁波： 6学时；
电磁能量辐射与天线： 6学时。

第1章 矢量分析
一、教学目标及基本要求
1. 通过课程的介绍，知道“电磁场原理”课程的学习内容、作用；课程的特点、已具有的基础；学习的重点、难点和解决的办法；教材、参考书和教学时间安排；本课程学习的基本要求等等。
2. 对矢量分析章节的学习，要建立起标量场和矢量场的概念，掌握梯度、散度和旋度等“三度”运算，以及此基础上的场函数的高阶微分计算。
3. 掌握矢量的基本运算法则和相应的微分、积分方法，学会按矢量场的散度和旋度分析场的基本属性。
4. 掌握矢量微分算符的基本应用以及高斯散度定理和斯托克斯定理，了解场的赫姆霍兹定理、两个特殊积分定理的推导和圆柱坐标系与球坐标系中矢量微分算符的情况。

二、教学内容及学时分配
1.1 矢量代数与位置矢量（0.5学时）
1.2 标量场及其梯度（1学时）
1.3 矢量场的通量及散度（1学时）
1.4 矢量场的环量及旋度（1学时）
1.5 场函数的高阶微分运算（1学时）
1.6 矢量场的积分定理（0.5学时）
1.7 赫姆霍兹定理（0.5学时）
1.8 圆柱坐标系与球坐标系（0.5学时）
三、教学内容的重点和难点
重点
1. 场概念的建立
2. 标量场的梯度、矢量场的散度和旋度的定义及计算。
难点
1. 微分矢量算符的理解和直角坐标系中的应用
2. 散度、旋度概念的理解及检源的作用
四、教学内容的深化与拓宽
介绍本课程与电磁学的区别和联系，电磁场理论借助数学表述的准确、精炼关系。应强调学习知识和解决问题的能力培养是相辅相成的。

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
采用多媒体手段利用电子课件进行教学，在教学过程中应注意：
a．讲数学内容，应联系后面电磁场的物理实际；
b.既要讲清数学概念和定理，更要重视它们的应用，在应用中巩固对概念和定理的认识；
c.运用多媒体教学手段，要更加重视课内讲授的方式，在必要的地方应辅以粉笔板书。同时，要求学生课前预习及课后复习，以便更好地掌握所学内容。
本课程的教学内容较多而教学时数相对较少，在讲授本课程时，着重讲重点、讲难点、讲思路、讲方法。学生在学习本课程时，应把重点放在掌握研究问题的基本思路和方法上，着重于能力的培养。

六、课外学习要求
学生通过查阅资料了解本学科（电气工程）领域的现状及发展方向、电磁场理论在现代社会中的应用。
七、习题
1.3，1.4，1.6，1.7，1.8，1.11，1.13，1.16，1.17，1.18，1.22，

电磁场原理课程教案　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　第2章 静电场
第2章 静电场
一、教学目标及基本要求
1. 通过静电场的学习，进一步建立场的概念，用电场强度矢量场和电位标量场来描述同一个静电场，掌握两个表述量之间的关系。
2. 掌握定性的分析电场的分布，确定计算区域，在建立的合适坐标系中利用电场强度表达式、高斯定理以及边值问题来计算空间的电场分布。
3. 掌握静电场中的介质极化的定量描述及极化电荷的计算。
4. 掌握静电场的基本方程（微分、积分形式）物理意义，不同介质分界面的衔接条件。
5. 基于唯一性定理，利用等效观点来分析计算特殊复杂电场（静电场的间接求解方法）。
6. 掌握静电场能量分布的特点及静电场能量计算。

二、教学内容及学时分配
第一节 库仑定律 电场强度 （2学时）
第二节 静电场的无旋性及电位（2学时）
第三节 静电场中的导体与电介质（1学时）
第四节 高斯定律 （1学时）
第五节 静电场基本方程　介质分界面上的衔接条件（1学时）
第六节 电位的微分方程与边值问题（1学时）
第七节 静电场的间接求解方法（2学时）
第八节 电容与部分电容（1学时）
第九节 静电能量与力（1学时）

三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 电场强度和电位的物理含义，静电场的无旋性，
2. 静电场的基本特性与基本方程（微分、积分两种形式）。
3. 静电场的唯一性定理，静电场边值问题，一维边值问题的求解。
4. 电场能量分布及计算
难点：
1. 静电场的泊松方程和拉普拉斯方程的建立
2. 高斯定律的应用
3. 介质的极化及极化电荷密度的计算
4. 虚位移法计算电场力

四、教学内容的深化与拓宽
对静电场的研究，是从它的散度和旋度两个方面来研究，由此了解它的基本特性。例题的选择需有代表性，并尽可能与授课的上下文相关联，能充分反映某种概念，关于例题得出的某种结论，是授课内容的延续。

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
本章是进入电磁场理论学习的开篇。它不仅为学习静态场打下必要的基础，也为时变场的有关内容的较好掌握提供一条途径。在教学过程中，应注重突出重点，多采用启发式教学以及和电磁学所学知识的相互联系。通过典型例题的分析，指出容易犯的错误，并要求学生在解算习题过程中，采用正确、严谨的步骤。

六、课外学习要求
自学电轴法。

七、习题
2.1，2.2，2.3，2.4，2.6，2.7，2.9，2.10，2.12，2.13，2.16，2.19，2.25，2.31

电磁场原理课程教案　　　 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　第3章 恒定电场
第3章 恒定电场
一、教学目标及基本要求
1. 了解恒定电场的形成与特点，通过恒定电场的学习，掌握恒定电场的基本方程及物理含义。
2. 基于唯一性定理，按静电比拟，借鉴静电场的类似求解方法，掌握求解恒定电场的方法。
3. 分析恒定电场与静电场的异同点，通过较熟悉的静电场内容更好地把握恒定电场的特点，。
4. 对定性的分析电场分布的思路和做法有清楚的了解。

二、教学内容及学时分配
第一节 电流与电流密度（ 1学时）
第二节 恒定电场的基本方程（ 1学时）
第三节 导电媒质分界面衔接条件（ 1学时）
第四节 电导与电阻（ 1学时）

三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 恒定电场概念及恒定电流的连续性。
2. 导电媒质中恒定电场的基本方程，媒质分界面上的衔接条件。恒定电场的拉普拉斯方程。
3. 电导、绝缘电阻等概念及其计算。
难点：
1. 静电比拟。
2. 导体与理想介质分界面衔接条件。
3. 恒定电场和电导的计算。

四、教学内容的深化与拓宽
算例的选择需适应所学的计算方法，并尽可能与静电场相关联，反映某种概念或得出某种结论，是授课内容的延续。
再次强调从散度和旋度两个方面来研究矢量场的场源特性、分布规律，是以后各章都必须遵循的基本方法。

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学中应注意要求学生对基本概念的掌握，如恒定电场，恒定电流，电流与电流密度，欧姆定律的微分形式，功率与功率密度等；基本理论和方法的应用，如损耗介质中的恒定电场及其分界面衔接条件的应用，恒定电场计算的基本方法，电导的定义及计算等。在教学过程中，应注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、相关的实践性环节
电源的认识及应用，新能源向电能转化的展示与分析。

七、课外学习要求
自学接地电阻及在电力系统中的应用等内容。

八、习题
3.1，3.2，3.3，3.4，3.7

电磁场原理课程教案　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　第4章 恒定磁场
第4章 恒定磁场
一、教学目标及基本要求
1. 了解恒定磁场的基本特点，学会利用场的观点等效分析磁感应强度在定量描述恒定磁场中的作用。
2. 掌握利用磁感应强度的定义式计算恒定磁场的分布，学习用磁矢量位函数来辅助提高对恒定磁场的认识和建立新的恒定磁场求解思路。
3. 掌握媒质磁化的概念和定量描述，并能根据等效观点分析媒质磁化和构建二次场源产生影响的磁效应。了解材料的磁特性及分析方法。
4. 借鉴高斯定律求解电场的思路，掌握利用安培环路定律求解磁场的方法。
5. 掌握恒定磁场基本方程的微分、积分形式及物理意义。
6. 掌握计算磁场能量分布及总磁场能量的方法，并能利用虚功原理的方法计算磁场中的有关受力问题。

二、教学内容及学时分配
第一节 磁感应强度（1学时）
第二节 磁矢量位（1学时）
第三节 真空中的安培环路定律（1.5学时）　
第四节 媒质磁化 安培环路定律的一般形式（1学时）
第五节 磁标量位（0.5学时）
第六节 恒定磁场的基本方程、媒质分界面上的衔接条件（2学时）
第七节 电感（1.5学时）
第八节 磁场能量与磁场力（1.5学时）
三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 磁感应强度、磁矢量位函数的定义式及其计算，安培环路定律及磁场强度的计算。
2. 磁通连续性原理，媒质的磁化。
3. 恒定磁场的基本方程，媒质分界面上的衔接条件。
4. 电感的概念及计算。
难点：
1. 利用电感的定义式计算电感
2. 磁场能量及其分布的计算，磁场力及其计算

四、教学内容的深化与拓宽
对教学中得出的某种结论，可进一步分析，与现实生活联系起来，把它看成是授课内容的延续

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
围绕教学基本要求，充分利用多媒体教学手段进行教学。
在教学过程中应通过恒定磁场散度和旋度的学习，加深对恒定磁场基本特性的理解。强调磁通连续性原理的积分和微分关系式；应用磁矢量位计算磁通。利用一般形式的安培环路定律（积分和微分形式）分析研究磁场分布，注意磁场方向；正确利用电感的定义确定电缆的电感；由磁场能量的计算进而计算磁场中有关力的问题等。算例的选择需适应所学的计算方法，要注意突出重点，并尽可能与授课的上下文相关联，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、相关的实践性环节
上网观看恒定磁场的有关视频。

七、课外学习要求
自学计算电感的黎曼公式。

八、习题
4.1，4.3，4.4，4.6，4.8，4.9，4.11，4.14，4.15，

电磁场原理课程教案　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第5章 时变电磁场
第5章 时变电磁场
一、教学目标及基本要求
1. 通过时变电磁场的学习，掌握描述电磁场基本特性的基本方程的两种形式 (微分形式、积分形式)，以及表征媒质特性的性能方程(构成方程)，深刻理解Maxwell方程组的物理意义，并知道如何由它们得出各种静态场和准静态场的基本方程。
2. 记住时变电场和磁场都有两种场源，时变电场是有旋有散场。注意时变电磁场与静态场边界条件的异同。
3. 熟记坡印亭矢量的定义和描述电磁场能量守恒与转换的坡印亭定理，清楚坡印亭定理的物理意义以及不同条件下坡印亭定理的形式。
4. 了解正弦电磁场场量的相量形式，基本方程的相量形式以及坡印廷矢量的平均值计算式。
5. 记住动态位，的定义以及它们所遵从的达朗贝尔方程，知道洛伦兹条件及其所包含的数学意义和物理意义。
6. 能够由电磁场基本方程导出电准静态场和磁准静态场的基本方程，正确理解似稳条件及似稳区概念。了解集肤效应产生的原因，透入深度的意义，涡流的热效应和去磁效应，以及相邻两载流导体的邻近效应。
二、教学内容及学时分配
5.1 电磁感应定律（1学时）
5.2 全电流定律（1学时）
5.3 电磁场的基本方程 分界面边界条件（1学时）
5.4 坡印廷定理和坡印廷矢量（1.5学时）
5.5 正弦电磁场（1学时）
5.6 动态位（2学时）
5.7 达朗贝尔方程的解答（1学时）
5.8 准静态电磁场（2.5学时）
5.9 集肤效应、涡流、邻近效应和电磁屏蔽（1学时）
三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 电磁感应定律，全电流定律。
2. 电磁场的基本方程及物理意义，时变电磁场解的唯一性，媒质分界面上的衔接条件。
3. 坡印廷定律与坡印廷矢量，电磁场的能量分布。
4. 动态位及其方程，时变电磁场的波动性，似稳场。
难点：
1. 动态位及达朗贝尔方程
2. 似稳场，似稳条件
3. 涡流的磁效应与热损耗，临近效应

四、教学内容的深化与拓宽
电磁屏蔽及应用

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学过程中应注意强调应电磁感应定律和全电流定律的实质，电磁场能量守恒和转化的定律以及坡印廷矢量的概念，正确得到两种准静态场的方法。要注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、相关的实践性环节
上网观看时变电磁场的有关视频。

七、课外学习要求
自学邻近效应。

八、习题
5.3，5.5，5.7，5.10，5.14，5.17，

电磁场原理课程教案　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第6章 平面电磁波的传播
第6章 平面电磁波的传播
一、教学目标及基本要求
1. 了解电磁场波动方程推导过程，掌握平面电磁波的基本性质
2. 掌握均匀平面电磁场在理想介质和导电媒质中的传播规律及相关参量的计算
3. 了解低损耗媒质中均匀平面电磁波的传播特点
4. 了解电磁波的极化特性
二、教学内容与学时分配
7.1 电磁波动方程与平面电磁波（1学时）
7.2 理想介质中的均匀平面电磁波（2.5学时）
7.3 导电媒质中的均匀平面电磁波（3学时）
7.4 平面电磁波的极化（1.5学时）
三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 电磁波动方程，均匀平面电磁波的传播特点，波的欧姆定律。
2. 理想介质中的正弦均匀平面波的传播特点，传播常数、相位常数、频率、波长、相速，坡印廷矢量及其平均值等的计算。
3. 导电媒质中正弦均匀平面电磁波的传播特点
难点：
1. 等效介电常数。
2. 电磁波的极化
四、教学内容的深化与拓宽
通过平面电磁波的学习，加深对电生磁，磁生电关系的理解，伴随着电场和磁场的交变导致电磁能量在空间中的传播。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
本章教学应侧重于概念分析，介绍均匀平面电磁波的特点，入射波、反射波、波速、波阻抗，波的欧姆定律，电磁能量传播等。通过学习，要求学生掌握理想介质中正弦均匀平面波的传播特点，传播常数、相位常数、频率、波长、相速，坡印廷矢量及其平均值等参量的计算。在教学过程中，应注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、课外学习要求
自学平面电磁波在平面分界面的垂直入射。

七、习题
6.1，6.2，6.3，6.5，6.8，6.9

电磁场原理课程教案　　 　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　第7章 导行电磁波

第7章 导行电磁波
一、教学目标及基本要求
1. 通过导行电磁波的学习，了解电磁波的定向传播可以传播能量，也可以传播信息。
2. 了解电磁波在矩形波导内传播时，任意横截面内的电磁波是驻波，沿轴向方向的电磁波是行波
3. 知道电磁波的频率大于波导的截至频率时，电磁波才可能在波导内传播
4. 掌握矩形波导内电场和磁场不能同时为横波及波导内不能传播TEM波的特点
5. 了解矩形波导内TE10波的重要性。
二、教学内容与学时分配
7.1 导行电磁波的基本性质（2学时）
7.2 矩形波导（4学时）
三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 电磁波在有限空间中传播的特点。
2. 导行电磁波的分类，传播模式，
3. 矩形波导，截止频率，TE波，TM波
难点：
1. 波导中的电磁场边值问题
2. 电磁波在波导中的传播模式，截止频率
四、教学内容的深化与拓宽
在讲清概念的基础上，介绍它们在现代电信工程中的应用。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学过程中应强调导行电磁波的分类及一般特性，矩形波导中的TE波和TM波及波的传播特性。了解电磁波在矩形波导内传播时，任意横截面内的电磁波是驻波，沿轴向方向的电磁波是行波。要注意突出重点，多采用启发式教学以及互动教学方式。
六、课外学习要求
自学传输线方程和谐振腔等内容。
七、习题
7.2，7.3

电磁场原理课程教案　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第8章 电磁能量辐射与天线
第8章 电磁能量辐射与天线
一、教学目标及基本要求
1. 通过本章的学习，掌握震荡电流产生电磁波的机理，在无限大真空中电磁波的传播规律。
2. 掌握单元偶极子电磁场的推导，电偶极子辐射近区场和远区场的划分原则，
3. 了解辐射的辐射功率，辐射电阻，方向性和方向图等概念
4. 了解线天线和天线阵

二、教学内容与学时分配
8.1 电磁辐射机理 （1学时）
8.2 单元偶极子的电磁场（2学时）
8.3 单元偶极子的辐射功率和辐射电阻（1学时）
8.4 辐射的方向性与方向图（1学时）
8.5 线天线与天线阵（1学时）
三、教学内容的重点和难点
重点：
1. 单元偶极子产生的电磁场。
2. 单元偶极子的辐射功率和辐射电阻
3. 辐射的方向性与方向图。
难点：
单元偶极子产生的电磁场推导。
四、教学内容的深化与拓宽
结合动画理解电偶极子模型的辐射及辐射方向性。

五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题
充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学过程中，要强调电偶极子辐射模型是以后研究天线问题十分重要的一环，天线的许多概念如辐射方向性，对称振子天线，天线阵，归一化方向函数，阵因子等都在本章中有所涉及。要注意突出重点，多采用启发式教学以及教师和学生的互动。

六、习题
8.1，8.2，8.3，8.4，8.7