电磁场与电磁波课程教学大纲-通信工程

《电磁场与电磁波》教学大纲
一、课程基本信息
课程名称：电磁场与电磁波
课程编码：58083004
课程类别：专业教育必修
适用专业：通信工程
开课学期：3-3
课程学时：总学时： 64学时；其中理论 48 学时，实验 16 学时。

课程学分：4
先修课程：大学物理、模拟电子线路、数字逻辑电路
并修课程：
课程简介：《电磁场与电磁波》课程是高等学校通信工程等电子科学与技术类各专业本科生必修的一门技术基础课。

电磁场与电磁波是通信技术的理论基础，是通信工程专业本科学生的知识结构中重要组成部分。

本课程包括电磁场与电磁波两大部分。

电磁场部分是在《电磁学》课程的基础上，运用矢量分析的方法，描述静电场和恒定磁场的基本物理概念，在总结基本实验定律的基础上给出电磁场的基本规律，研究静态场的解题方法。

电磁波部分主要是介绍有关电磁波在各种介质中的传播规律及天线的基本理论。

二、课程教育目标
本课程使学生掌握电磁场的有关定理、定律、麦克斯韦方程等的物理意义及数学表达式。

使学生熟悉一些重要的电磁场问题的数学模型（如波动方程、拉氏方程等）的建立过程以及分析方法。

培养学生正确的思维方法和分析问题的能力，使学生学会用"场"的观点去观察、分析和计算一些简单、典型的场的问题。

其教育目标主要表在以下三方面：
1、内容方面，应使学生牢固掌握矢量运算，梯度、散度和旋度概念，高斯公式和斯托克司公式；掌握恒定和时变电磁场的麦克斯韦方程组、泊松方程、电磁波的波动方程等；掌握分离变量法、镜像法、有有界空间中电磁波的求解方法等；理解电磁场的矢势¦和标势、规范变换、规范不变性、库仑规范、洛仑兹规范、时谐平面电磁波、推迟势、电磁辐射、截止频率和谐振频率等概念。

2、能力方面，应使学生学会和掌握如何通过数学方法求解一些基本和实际问题，对结果给予物理解释的科学研究方法；使学生在运算能力和抽象思维能力方面受到初步而又严格的训练；培养学生解决和研究问题的能力，培养学生严谨的科学学风。

3、方法方面，着重物理概念、基本规律和基本问题的解释和阐述，注意本课程与大学物理电磁学的衔接，以及与后继课程联系，注重解决常见基本问题和实际问题。

在帮助学生打下坚实基础的
前提下，坚持教学内容与现代科学技术接轨，使现代科学技术的成果渗透到本课程内容之中，提高学生的兴趣，拓宽学生的知识面。

通过本课程的学习，使学生牢固掌握电磁场与电磁波方面的基本概念、基本理论及主要分析方法，具有基本的电磁问题解题能力，对天线理论也要有一定的了解。

为以后现代通信技术的学习与应用打下良好的基础。

三、课程教学内容、要求及学时安排
第一章矢量分析
【教学内容】
1．标量场和矢量场；
2．矢量与矢量场的不变特性；
3．矢量的通量散度；
4．矢量的环流旋度；
5．标量场的梯度；
6．亥姆霍兹定理。

【教学要求】
1．掌握矢量的各种运算；
2．掌握散度、旋度、梯度的计算；
3．掌握圆柱坐标系和球坐标系的计算；
4．理解高斯定理和斯托克斯定理的重要性；
5．理解亥姆霍兹定理的意义。

【教学方法】
【学时】6学时
第二章电磁场中的基本物理量和基本实验定律
【教学内容】
1.电荷与电荷分布；
2.电流与电流密度；
3.电流连续性方程；
4.电场强度库仑定律；
5.安培力定律磁感应；
6.电场强度的矢量积分公式；
7.磁感应强度的矢量积分公式。

1.掌握电荷分布与电流密度的计算；
2.掌握电场强度的矢量积分公式和磁感应强度的矢量积分公式；
3.理解电流连续性方程的重要性；
4.理解库仑定律和安培力定律的意义。

【教学方法】
【学时】3学时
第三章静电场分析
【教学内容】
1.静电场分析的基本变量；
2.真空中静电场的基本方程；
3.电位函数；
4.泊松方程拉普拉斯方程；
5.唯一性定理；
6.电极化及极化强度；
7.介质中的高斯定律及边界条件；
8.恒定电场的基本方程及边界条件；
9.电场能量及静电力。

【教学要求】
1.掌握真空中静电场的基本方程；
2.掌握电位函数的计算；
3.掌握极化强度的计算；
4.掌握电场能量与静电力的计算；
5.掌握恒定电场的基本方程；
6.理解高斯定律的重要性；
7.理解唯一性定理的意义。

【教学方法】
【学时】8学时
第四章静态场边值问题的解法【教学内容】
1.直角坐标中的分离变量法；
2.圆柱坐标中的分离变量法；
3.球坐标中的分离变量法；
4.镜像法。

1.掌握各种坐标系中的分离变量法；
2.掌握各种分界面的镜像法；
3.了解数值计算法的意义。

【教学方法】
【学时】6学时
第五章恒定磁场分析【教学内容】
1.恒定磁场分析的基本变量；
2.真空中磁场的基本方程；
3.矢量磁位；
4.物质的磁化现象与磁化强度；
5.磁介质中磁场的基本方程；
6.磁场的边界条件；
7.标量磁位；
8.自电感与互电感；
9.磁场能量；
10.磁场力。

【教学要求】
1.掌握真空中磁场的基本方程；
2.掌握磁化强度的计算；
3.掌握磁介质中磁场的基本方程；
4.掌握矢量磁位与标量磁位的计算；
5.掌握自电感与互电感的计算；
6.掌握磁场能量与的磁场力计算；
7.理解安培环路定律的重要性。

【教学方法】
【学时】8学时
第六章时变电磁场【教学内容】
1.法拉第电磁感应定律；
2.位移电流；
3.麦克斯韦方程；
4.时变电磁场的边界条件；
5.坡印廷定理和坡印廷矢量；
6.波动方程；
7.动态矢量位和标量位。

【教学要求】
1.掌握麦克斯韦方程及其边界条件；
2.掌握坡印廷矢量的计算；
3.掌握波动方程的推导；
4.掌握动态矢量位和标量磁位的计算；
5.理解坡印廷定理的重要性；
6.理解电磁感应定律与全电流定律的意义。

【教学方法】
【学时】6学时
第七章正弦平面电磁波【教学内容】
1.亥姆霍兹方程；
2.平均坡印廷矢量；
3.理想介质中的均匀平面波；
4.波的极化特性；
5.损耗媒质中的均匀平面波；
6.对平面分界面的垂直入射；
7.对平面分界面的斜入射；
8.相速和群速。

【教学要求】
1.掌握平均坡印廷矢量的计算；
2.掌握理想介质中的均匀平面波的计算；
3.掌握损耗媒质中的均匀平面波的计算；
4.理解波的极化特性；
5.理解对平面分界面的垂直入射与斜入射的过程；
6.理解相速和群速。

【教学方法】
【学时】6学时
第八章导形电磁波【教学内容】
1.沿均匀导波装置传播的波的一般特性；
2.矩形波导；
TE波；
3.矩形波导中的10
4.圆柱形波导；
5.波导中的能量传输与损耗；
6.传输线方程及其解；
7.传输线上波的传输特性参数；
8.传输线的工作状态；
9.谐振腔。

【教学要求】
1.掌握沿均匀导波装置传输电磁波的基本特性；
2.掌握矩形波导的计算；
3.掌握圆柱形波导的计算；
4.掌握传输线上波的传输特性参数的计算；
5.理解谐振腔的工作原理。

【教学方法】
【学时】5学时
四、考核及成绩评定
（一）命题原则与思想
考试试卷应充分体现教学大纲的要求，学生在答题时应感觉到是对全书的概括和总结。

考试内容应能调动学生的主观能动性和创造性，试卷的难易程度，应视学生整体的素质和水平而定位。

试题应让学生既感到熟悉又感到陌生，但通过必要的思考能正确地解答出来。

（二）考试范围
（三）考核要求
《电磁场与电磁波》课程考试旨在考察学生对电磁场与电磁波基本知识及软件编程的掌握及熟练运用能力。

（四）考核类型
1．考试方法：考试
2．记分方式：百分制，满分为100分
3．考试时间：100分钟
（五）试题类型
可设计题目类型主要包括：名词解释；填空题；单选题；多选题；判断题；简答题；计算题；综合题等。

（六）试卷结构：
客观题占50%；主观题占40%，发挥占10%。

（七）成绩评定：
考试成绩：平时成绩30 %+期末考试成绩70 %
五、其它说明
教学内容根据社会需求等将实时更新。

当前教学内容与时数分配见下表。

教学内容与时数分配表
六、参考资料
[1]邹澎，周晓萍.电磁场与电磁波.北京:清华大学出版社,2008
[2]邹澎，周晓萍.电磁场与电磁波教学指导——习题解答与实验.北京:清华大学出版社,2009
[3]杨儒贵. 电磁场与电磁波(第2版)教学指导书. 北京：高等教育出版社，2008
[4]符果行. 电磁场与电磁波基础教程.北京：电子工业出版社，2009
[5]Cheng,D.K. 电磁场与电磁波(第2版).北京:清华大学出版社,2007
[6]王家礼. 电磁场与电磁波(第三版).西安:西安电子科技大学出版社,2009
[7]赵昌友. 电磁场与电磁波.北京: :化学工业出版社,2010
[8]苏新彦. 电磁场与电磁波.北京：国防工业出版社，2010
[9]冯恩信. 电磁场与电磁波(第3版).西安：西安交通大学出版社，2010
[10] 焦其祥. 电磁场与电磁波(第二版).北京：科学出版社，2010
[11] 杨儒贵. 电磁场与电磁波(第2版). 北京：高等教育出版社，2010
课程负责人：张梅
教研室负责人：杨润标
学院领导：左国超
《电磁场与电磁波》实验教学大纲
一、课程基本信息
课程名称：电磁场与电磁波
课程编码：58083004
适用专业：通信工程
开课学期：3-3
课程类型：非独立设课
课程学时：非独立设课：总学时 64 学时（其中理论课 48 学时，实验课 16 学时）课程学分：4
先修课程：大学物理、模拟电子线路、数字逻辑电路
并修课程：
内容简介：《电磁场与电磁波》课程属于通信工程专业基础课之一，其实验内容主要利用MATLAB 仿真软件进行相关的实验，通过实验将理论分析与实际编程仿真相结合，以理论指导实践，主要实验内容主要包括：等量同号点电荷电场、等量异号点电荷的电势分布、直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力分析、理想介质中均匀平面电磁波的传播、使用m语言对电磁场的仿真。

二、实验课程的性质与任务
本课程属于专业教育必修课程，实验课程的主要目的在于使学生更加深刻的理解电磁场理论的基本数学分析过程，通过实验环节将课程中所学习到的理论加以应用。

受目前实验室设备条件的限制，目前通过实验将理论分析与实际编程仿真相结合，以理论指导实践，提高学生的分析问题、解决问题等能力以及通过有目的的选择完成实验，使学生进一步巩固理论基本知识，建立电磁场与电磁波理论完整的概念。

三、实验项目
实验一等量同号点电荷电场
1．实验类别：专业
2．实验类型：验证
3．学时：3
4．实验的目的和要求：
(1)掌握MATLAB仿真的基本流程与步骤；
(2)掌握等量同号点电荷电场的分布情况；
(3)理解MATLAB数据表示、运算符和表达式；
(4)理解等量同号点电荷电场的电场线方程。

5．实验内容或原理
(1)建立等量同号点电荷电场的电场线方程；
(2)使用M文件编辑器，编程实现同号点电荷电场线的绘制。

6．实验步骤
(1)建立等量同号点电荷电场的电场线方程；
(2)使用M文件编辑器，编程实现同号点电荷电场线的绘制；
(3)动手设计一个二点电荷位于(-1,0)和(1,0) ，同号点电荷电场线的绘制程序，并画出绘制图形。

7．实验中主要使用的仪器、设备：计算机、Matlab仿真软件
8．实验材料：无
9．实验安全和注意事项：注意用电安全和代码编写语法
实验二等量异号点电荷的电势分布
1．实验类别：专业
2．实验类型：验证
3．学时：3
4．实验的目的和要求：
(1)掌握等量异号点电荷的电势分布；
(2)掌握二维网格和三维曲面绘图的语句；
(3)掌握命令窗口中直接输入语句。

5．实验内容或原理
(1)建立等量异号点电荷的电势方程；
(2)利用MATLAB的函数, 绘制等量异号点电荷的电势分布图。

6．实验步骤
(1)建立等量异号点电荷的电势方程；
(2)利用MATLAB的函数, 绘制等量异号点电荷的电势分布图；
(3)要求在命令窗口中输入相应语句，设计一个二点电荷位于(-3,0)和(3,0) ，等量异号点电荷电
势分布图的程序，要求用方法分别实现，并画出绘制图形。

7．实验中主要使用的仪器、设备：计算机、Matlab仿真软件
8．实验材料：无
9．实验安全和注意事项：注意用电安全和代码编写语法
实验三直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力分析1．实验类别：专业
2．实验类型：验证
3．学时：3
4．实验的目的和要求：
(1)掌握MATLAB仿真的基本流程与步骤；
(2)掌握静电场的基本分析方法与基本性质；
(3)理解矢量积分法在静电场分析中的应用；
(4)了解数值分析手段在电磁场分析中的应用。

5．实验内容或原理
(1)绘制对于不同的圆弧，电场力与距离之间的变化规律示意图；
(2)结合所绘制的示意图，分析电场力与距离之间的变化规律。

6．实验步骤
(1)推导直线电荷与共面圆弧电荷之间的相互作用力公式；
(2)详细讨论圆弧的大小和两者之间的距离与电场力之间的关系；
(3)取圆弧的角度为参数，显示力与两者之间距离的曲线族；
(4)结合曲线族分析作用力关系。

7．实验中主要使用的仪器、设备：计算机、Matlab仿真软件
8．实验材料：无
9．实验安全和注意事项：注意用电安全和代码编写语法
实验四理想介质中均匀平面电磁波的传播
1．实验类别：专业
2．实验类型：验证
3．学时：3
4．实验的目的和要求：
(1)掌握理想介质中的波动方程；
(2)掌握理想介质中均匀平面波的性质；
(3)理解理想介质中电场、磁场、坡印亭矢量之间的关系；
(4)理解平面电磁波的传播过程。

5．实验内容或原理
(1)推导理想介质中的波动方程；
(2)绘制理想介质中电场、磁场、坡印亭矢量之间的关系示意图；
(3)动画显示平面电磁波的传播过程；
(4)分析理想介质中均匀平面波的性质。

6．实验步骤
(1)理论上推导理想介质中的波动方程；
(2)假设电场极化方向为y轴方向，绘制理想介质中电场示意图。

(3)假设波的传播方向沿x轴方向，绘制电场、磁场、坡印亭矢量之间的关系示意图。

(4)动画显示平面电磁波的传播过程。

7．实验中主要使用的仪器、设备：计算机、Matlab仿真软件
8．实验材料：无
9．实验安全和注意事项：注意用电安全和代码编写语法
实验五使用m语言对电磁场的仿真
1．实验类别：专业
2．实验类型：验证
3．学时：4
4．实验的目的和要求：
(1)掌握环形载流回路周围空间的磁场分布情况；
(2)掌握m文件调试方法；
(3)掌握利用m语言仿真分析电磁场分布。

5．实验内容或原理
(1)建立环形载流回路周围空间的磁场分布情况；
(2)应用MATLAB对半径为a的环形载流回路周围空间的磁场分布进行仿真分析。

6．实验步骤
(1)建立环形载流回路周围空间的磁场分布情况；
(2)应用MATLAB对半径为a的环形载流回路周围空间的磁场分布进行仿真分析。

(3)设计编写程序，如果B的三个分量均考虑，编写程序绘出电流环的三维磁力线图。

7．实验中主要使用的仪器、设备：计算机、Matlab仿真软件
8．实验材料：无
9．实验安全和注意事项：注意用电安全和代码编写语法
四、实验报告基本要求
1. 按照实验指导书的格式简述实验目的、实验要求、实验内容以及实验原理；
2. 详细写明每一个实验的具体步骤如何实现，在具体实验中遇到的问题以及如何解决；
3. 在实验报告最后，总结出本次实验心得。

五、教材和实验指导手册
1.教材：杨儒贵. 电磁场与电磁波(第2版). 北京：高等教育出版社，2010
2.实验指导手册：自编教材。

六、其它说明
实验内容根据社会需求等将实时更新。

七、参考资料
[1] 邹澎，周晓萍.电磁场与电磁波.北京:清华大学出版社,2008
[2] 邹澎，周晓萍.电磁场与电磁波教学指导——习题解答与实验.北京:清华大学出版社,2009
[3] 杨儒贵. 电磁场与电磁波(第2版)教学指导书. 北京：高等教育出版社，2008
[4] 符果行. 电磁场与电磁波基础教程.北京：电子工业出版社，2009
[5] Cheng,D.K. 电磁场与电磁波(第2版).北京:清华大学出版社,2007
[6] 王家礼. 电磁场与电磁波(第三版).西安:西安电子科技大学出版社,2009
[7] 赵昌友. 电磁场与电磁波.北京: :化学工业出版社,2010
[8] 苏新彦. 电磁场与电磁波.北京：国防工业出版社，2010
[9] 冯恩信. 电磁场与电磁波(第3版).西安：西安交通大学出版社，2010
[10] 焦其祥. 电磁场与电磁波(第二版).北京：科学出版社，2010
[11] 杨儒贵. 电磁场与电磁波(第2版). 北京：高等教育出版社，2010。