电磁场与电磁波教案.doc

xxxx大学教案（理论教学用）
第 1 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第1章 1.1， 1.2
教学目的和要求
回顾并进一步学习矢量代数的概念和运算，学习三种常用的正交坐标系（包括直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系）。由于电磁场的计算经常采用圆柱坐标系和球坐标系，所以这两种坐标系在本课程中非常基础和重要的知识点。
讲授主要内 容
1.1 矢量代数
1.2 三种常用的正交坐标系
重 点
难 点
重点是直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系，以及三种坐标系之间的换算关系。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握三种坐标系之下的微积分运算，以及三种坐标系之间的换算关系
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.1 矢量代数

1.2 三种常用的正交坐标系
1. 直角坐标系
位置矢量：
线元矢量：
面元矢量：，

体积元：
2. 圆柱坐标系
，
,,
位置矢量：
线元矢量：

面元矢量：

体积元：
3. 球坐标系

,,
位置矢量：
线元矢量：
面元矢量：

体积元：
作业布置
1.8,1.9,1.10
主 要
参考资料
[1] 工程数学．矢量分析与场论，谢树艺，北京：高等教育出版社，1996，年。O183.1/XS(2)
备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 2 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第1章 1.3， 1.4
教学目的和要求
梯度、散度和旋度是构成麦克斯韦方程组的基本算子，也是计算电磁场的基本算子，所以从方向导数、通量、环流的基础上，把三个算子的物理意义和计算公式介绍并推导出来。
讲授主要内 容
1.3标量场的梯度
1.4 矢量场的通量和散度。
重 点
难 点
重点是标量场的梯度，矢量场的通量和散度以及散度定理。难点是圆柱坐标系和球坐标系下梯度、通量和和散度的计算。
要求掌握知识点和分析方法
掌握标量场的梯度，矢量场的通量和散度的物理意义和计算以及散度定理。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.3标量场的梯度
直角坐标系：
圆柱坐标系：
球坐标系：
1.4 矢量场的通量和散度；
通量
直角坐标系
散度
散度定理

直角坐标系：
圆柱坐标系：
球坐标系：
作业布置
1.12,1.14,1.16,1.12,1.18
主 要
参考资料
[1] 工程数学．矢量分析与场论，谢树艺，北京：高等教育出版社，1996，年。O183.1/XS(2)
备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 3 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第1章1.5，1.6
教学目的和要求
梯度、散度和旋度是构成麦克斯韦方程组的基本算子，也是计算电磁场的基本算子，所以从方向导数、通量、环流的基础上，把三个算子的物理意义和计算公式介绍并推导出来。
讲授主要内 容
1.5 矢量场的环流与旋度
1.6 无旋场与无散场
重 点
难 点
重点是矢量场的环流与旋度，无旋场与无散场，以及斯托克斯公式。难点是圆柱坐标系和球坐标系下环流和旋度的计算。
要求掌握知识点和分析方法
掌握矢量场的环流与旋度的计算公式以及斯托克斯公式。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.5矢量场的环流和旋度
环流 直角坐标系下
旋度
斯托克斯定理
直角坐标系：
圆柱坐标系：
球坐标系：

1.6 无旋场与无散场
无旋场：。
， ，
无散场：充要条件。

作业布置
1.15,1.27,1.29,1.30
主 要
参考资料
[1] 工程数学．矢量分析与场论，谢树艺，北京：高等教育出版社，1996，年。O183.1/XS(2)

xxxx大学教案（理论教学用）
第 4 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第1章 1.7， 1.8
教学目的和要求
拉普拉斯运算是电磁场波动方程中的主要运算，亥姆霍兹定理总结了矢量场的基本性质，指出研究矢量场要从场的散度和旋度着手，研究电磁场也要从电场和磁场的散度和旋度着手。
讲授主要内 容
1.7 拉普拉斯运算与格林公式
1.8 亥姆霍兹定理
重 点
难 点
重点是拉普拉斯运算和亥姆霍兹定理，难点是圆柱座标系和球坐标系下的拉普拉斯运算。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握拉普拉斯运算。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
1.7 拉普拉斯运算与格林公式

直角坐标系：
圆柱坐标系：
球坐标系：

1.8 亥姆霍兹定理

作业布置
[1] 工程数学．矢量分析与场论，谢树艺，北京：高等教育出版社，1996，年。O183.1/XS(2)
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 5 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第2章 2.1, 2.1
教学目的和要求
回顾《普通物理》中所学的电荷守恒定律和真空中静电场的基本规律，从梯度、散度、旋度的角度深入理解并掌握静电场的基本规律，为时变场打下基础。
讲授主要内 容
2.1 电荷守恒定律
2.2 真空中静电场的基本规律
重 点
难 点
重点是电荷守恒定律和静电场的基本方程，难点是高斯定理的推导。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握电荷守恒定律，真空中静电场的基本规律，能够根据电荷分布计算空间的电场分布。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
2.1 电荷守恒定律
电荷体密度：
电荷面密度：
电荷线密度：
点电荷的电荷密度：
电流密度矢量：

电荷守恒定律： ，
恒定电流的电流连续性方程：，
2.2 真空中静电场的基本规律
点电荷：，
体电荷：

面电荷：
线电荷：
静电场的基本方程
，
，
作业布置
2.1,2.2,2.7,2.9,2.15
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 6 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第2章 2.3
教学目的和要求
回顾《普通物理》中所学的真空中恒磁场的基本规律，从梯度、散度、旋度的角度深入理解并掌握恒磁场的基本规律，为时变场打下基础。
讲授主要内 容
2.3 真空中恒定磁场的基本规律
重 点
难 点
重点是真空中恒定磁场的基本方程，难点是安培环路定律的推导。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握真空中恒定磁场的基本规律，能够根据电流分布计算空间的磁场分布。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
2.3 真空中恒定磁场的基本规律

磁通连续性原理：
，
安培环路定理
，
作业布置
2.18,2.19,2.20,2.23
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 7 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第2章2.4
教学目的和要求
讲授电介质的极化性质，包括极化电荷的面密度、体密度、电介质的本构关系、电介质的基本方程。讲授磁介质的磁化性质，包括磁化电流的面密度、体密度、磁介质的本构关系、磁介质的基本方程。讲授媒质的传到特性。
讲授主要内 容
2.4 媒质的电磁特性
重 点
难 点
重点是介质的本构关系和基本方程。难点是形象的理解极化现象。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握介质中的本构关系和基本方程，会利用基本方程求解电磁场。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
2.4 媒质的电磁特性
2.4.1 电介质的极化
电介质表面的极化电荷面密度：
极化电荷体密度：
电介质的本构关系：
电介质中的基本方程：，
，
2.4.2 磁介质的极化 磁场强度
磁化电流体密度：
磁化电流面密度：
磁介质的本构关系：
磁介质中的基本方程：，
2.4.3 媒质的传导特性

作业布置
2.22
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 8 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第2章2.5, 2.6, 2.7
教学目的和要求
在静态场的基础上讲授时变场的基本方程。麦克斯韦方程组是由法拉第电磁感应定律和位移电流假说推导出来。求解电磁场问题实质上求解特定边界条件下的麦克斯韦方程组。
讲授主要内 容
2.5 电磁感应定律和位移电流；2.6 麦克斯韦方程组；2.7 电磁场的边界条件
重 点
难 点
重点是麦克斯韦方程组和边界条件。难点是边界条件的理解和掌握。
要求掌握知识点和分析方法
掌握麦克斯韦方程组和边界条件。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
2.5 电磁感应定律和位移电流
法拉第电磁感应定律：
推广的电磁感应定律：，
位移电流密度：
全电流定律：，
2.6 麦克斯韦方程组
，
本构关系：，，

2.7 电磁场的边界条件
边界条件：，
，
作业布置
2.16,2.25,2.272.29
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 9 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第3章 3.1, 3.2
教学目的和要求
讲授静电场的分析方法，电位函数，推导出电能密度和电场总能量的计算公式。
讲授主要内 容
3.1 静电场分析；3.2 导电媒质中的恒定电场分析
重 点
难 点
重点是电位函数，难点是电能密度的推导。
要求掌握知识点和分析方法
3.1 静电场分析
3.2 导电媒质中的恒定电场分析
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
3.1 静电场分析
3.1.1 静电场的基本方程和边界条件
基本方程：
本构关系：
边界条件：，
3.1.2 电位函数

点电荷：
体电荷：
面电荷：
线电荷：

静电位的微分方程：
边界条件：，
3.1.4 静电场的能量
电能密度：
电场的总能量：
3.2 导电媒质中的恒定电场分析
恒定电场的基本方程：
本构关系：
恒定电场的边界条件：，
电位方程：，
边界条件：
作业布置
3.2,3.3
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 10 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第3章 3.3, 3.4, 3.5
教学目的和要求
介绍恒定磁场的分析方法，磁场能量密度，静态场的边值问题，唯一性定理和镜像法。
讲授主要内 容
3.3 恒定磁场分析；3.4 静态场的边值问题及解的惟一性定理；3.5 镜像法
重 点
难 点
重点镜像法，磁场能量。
要求掌握知识点和分析方法
理解惟一性定理，掌握镜像法。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
3.3 恒定磁场分析
基本方程：，
边界条件：，
，

磁场能量密度：
磁场的总能量：
3.4 静态场的边值问题及解的惟一性定理
第一类边值问题（或狄里赫利问题）：
第二类边值问题（或纽曼问题）：
第三类边值问题（或混合边值问题）：，
惟一性定理
3.5 镜像法

作业布置
3.7,3.11
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 11 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第4 章 4.1, 4.2
教学目的和要求
无源区域的电磁场经常通过波动方程来求解；有源区域的求解通过位函数求解。波动方程都是通过麦克斯韦方程组推导。
讲授主要内 容
4.1 波动方程；4.2 电磁场的位函数
重 点
难 点
重点是波动方程。
要求掌握知识点和分析方法
掌握波动方程。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
4.1 波动方程
麦克斯韦方程
， ，，
无源区的波动方程
，
4.2 电磁场的位函数
，

位函数的波动方程：

作业布置
4．1，4.2,4.3,4.4
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 12 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第4章 4.3, 4.4,4.5.1
教学目的和要求
讲授电磁能守恒定律和惟一性定理，时谐电磁场的复数表示。
讲授主要内 容
4.3 电磁能量守恒定律；4.4 惟一性定理；4.5.1
重 点
难 点
重点是电磁能守恒定律和坡印廷矢量，难点是对坡印廷定理的理解和惟一性定理的推导。
要求掌握知识点和分析方法
掌握电磁能守恒定律和坡印廷矢量的计算，掌握时谐电磁场的复数表示。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
4.3 电磁能量守恒定律；
电场能量密度：
磁场能量密度：
坡印廷定理的积分形式

坡印廷矢量：
4.4 惟一性定理
4.5 时谐电磁场
4.5.1 时谐电磁场的复数表示
,

，，
，
，
，
作业布置
4.8,4.9
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 13 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第4章 4.5.2~4.5.6
教学目的和要求
讲授复矢量的麦克斯韦方程、亥姆霍兹方程、平均能量密度和平均能流密度矢量。
讲授主要内 容
4.5.2 复矢量的麦克斯韦方程；4.5.3 复电容率和复磁导率；4.5.4 亥姆霍兹方程；4.5.5 时谐场的位函数；4.5.6 平均能量密度和平均能流密度矢量
重 点
难 点
重点是复矢量的麦克斯韦方程、亥姆霍兹方程、平均能量密度和平均能流密度矢量。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握复矢量的麦克斯韦方程、亥姆霍兹方程、平均能量密度和平均能流密度矢量。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
4.5.2 复矢量的麦克斯韦方程
，，
，
4.5.3 复电容率和复磁导率
复介电常数：
复磁导率：
4.5.4 亥姆霍兹方程
， ，
4.5.5 时谐场的位函数
,
,
4.5.6 平均能量密度和平均能流密度矢量
,,
作业布置
4．10，4．11，4．12，4．14
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 14 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第5 章 平面波5.1，5.1.1，5.1.2
教学目的和要求
讲授理想介质中的均匀平面波。
讲授主要内 容
5.1.1 理想介质中的均匀平面波函数；5.1.2 理想介质中的均匀平面波的传播特点
重 点
难 点
重点是理想介质中的均匀平面波的传播特点。
要求掌握知识点和分析方法
掌握理想介质中的均匀平面波的传播特点，能够推导电场与磁场的关系，能够求解传播常数、波长、波阻抗、波速等参数。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
5.1.1 理想介质中的均匀平面波函数
波动方程：，，

5.1.2 理想介质中的均匀平面波的传播特点
，，
，
波数，波速，波阻抗

作业布置
5.1,5.2,5.3,5.4,5.5
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 15 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第5 章 5.1.3，5.2
教学目的和要求
讲授沿任意方向传播的均匀平面波和电磁波的极化。
讲授主要内 容
5.1.3 沿任意方向传播的均匀平面波；5.2 电磁波的极化
重 点
难 点
重点是沿任意方向传播的均匀平面波以及电磁波的极化。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握沿任意方向传播的均匀平面波的传播特性，能够确定波大传播方向，确定电场与磁场之间的关系，能够确定电磁波的极化方式。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
5.1.3 沿任意方向传播的平面波
，，
，

5.2 电磁波的极化
，
线极化：若，对于一个给定点上

电场矢量的方向随着时间变化不变，轨迹是直线。
2 圆极化：若，
。电场矢量随着时间变化的轨迹是圆。
3椭圆极化
，

作业布置
5.6,5.7,5.8,5.11,5.12,5.14
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 16 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第5章5.3 , 5.4
教学目的和要求
讲授均匀平面波在导电媒质中的传播以及色散与群速。
讲授主要内 容
5.3 均匀平面波在导电媒质中的传播；5.4 色散与群速
重 点
难 点
重点和难点是均匀平面波在导电媒质中的传播特性。
要求掌握知识点和分析方法
要求掌握均匀平面波在导电媒质中的传播特性，会计算传播常数、衰减常数、波速、波长、波阻抗等参数。理解色散和群速的概念。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
5.3 均匀平面波在导电媒质中的传播
波动方程：， ，

，
，

，，
5.4电磁波的色散和群速
波速（相速）
群速
作业布置
5.16,5.23,5.25,5.26
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 17 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第6章 6.1
教学目的和要求
通过分析多层介质中的平面波，掌握麦克斯韦方程中的电场和磁场间的关系，运用边界条件，理解波的传播和反射。
讲授主要内 容
6.1 均匀平面波对分界平面的垂直入射
重 点
难 点
重点和难点是入射波、反射波的表示，以及运用边界条件确定入射波和反射波的振幅和相位关系。
要求掌握知识点和分析方法
掌握麦克斯韦方程中的电场和磁场间的关系，运用边界条件确定场幅系数。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
6.1 均匀平面波对分界平面的垂直入射
，
，
，
，

运用边界条件确定：，
，
作业布置
6.2，6.3，6.5
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 18 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第7章 导行电磁波7.1
教学目的和要求
要求学生掌握用和表示和得便其它分量，理解TEM、TE和TM模式的定义。
讲授主要内 容
7.1 导行电磁波概论
重 点
难 点
用和表示和得便其它分量。
要求掌握知识点和分析方法
用和表示和得便其它分量，TEM、TE和TM模式。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
7.1 导行电磁波概论

三种模式（矢量波动方程的三种解）
（1） TEM模
（2） TE模，
（3） TM模，
作业布置

主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 19 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第7章 7.2
教学目的和要求
要求学生掌握矩形波导中的传输模式，传输特性，主模式。
讲授主要内 容
7.2 矩形波导
重 点
难 点
矩形波导中的TE波、TM波、传输特性、TE10波。
要求掌握知识点和分析方法
计算波导中的场分布，模式的截止与传输，传输模的特性。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
7.2 矩形波导

模式传输，模式截止
传播常数
相速
波导波长
主模式：截止频率最低的模式为TE10模。
波导中某个行波的传输功率为

矩形波导TE10模的传输功率为

作业布置
7.2,7.5,7.6
主 要
参考资料

xxxx大学教案（理论教学用）
第 20 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第7章 7.5
教学目的和要求
随着频率的增高，电磁波的波长接近元件尺寸，由集中参数元件组成的振荡回路容易产生辐射，损耗增大。故采用空腔谐振器。
讲授主要内 容
7.5 谐振腔
重 点
难 点
谐振腔的主要参量：谐振频率和品质因素。
要求掌握知识点和分析方法
掌握谐振腔的谐振频率和品质因素。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等

7.5 谐振腔
TE模：
TM模：

谐振频率：
谐振腔的品质因素Q 定义为：

作业布置
7.10,7.11
主 要
参考资料

备注

xxxx大学教案（理论教学用）
第 21 次课 学时：2
授课对象
2011级电子工程专业本科生
章 节
第7章 7.6
教学目的和要求
传输TEM波的双导体传输线，例如平行双线、同轴线等；采用“路”的分析方法，把传输线作为分布参数电路处理；由基尔霍夫定律导出传输线方程，进而讨论波沿线的传播特性。
讲授主要内 容
7.6 传输线
重 点
难 点
重点是传输线方程、传输线特性参数和传输线的工作状态。
要求掌握知识点和分析方法
掌握传输线的特性参数和工作状态。
教授思路，采用的教学方法和辅助手段，板书设计，重点如何突出，难点如何解决，师生互动等
7.6.1 传输线方程及其解
传输线方程：，
传输线方程的通解：，，
1 已知终端电压和终端电流：，

2 已知始端电压和电流：，

7.6.2 传输线的特性参数
1 特性阻抗：
2 传播常数：

无耗传输线，，，
3 相速度：，对于无耗线：
4 波长
7.6.3 传输线的工作参数
输入阻抗：
无耗线：，
（1）终端短路线：
（2）终端开路线：
（3）匹配：
7.6.4 传输线的工作状态
1 行波状态
2 驻波状态
作业布置
7.16,7.7.17,7.18,7.19
主 要
参考资料

备注

33