中美著名大学《电动力学》教材的比较(陈靖)

中美著名大学《电动力学》教材的比较

陈靖（南开大学物理科学学院博士、讲师）

内容摘要: 电动力学是中美大学物理类本科生的必修课程之一，是学生进行基础物理学理论知识训练的核心课程，也是进一步学习更高等的基础课和各类专业课必不可少的准备知识。电动力学的内容包括宏观经典电磁场理论和狭义相对论的理论。通过对中美著名大学《电动力学》主流教材的分析，比较了中美教材的异同点、优缺点，可为我国今后电动力学教学和教材编写提供很好的借鉴。

关键词：电动力学；美国教材；中国教材；本科教学；经典电磁理论；狭义相对论

《电动力学》是“四大力学”之一，它是物理学、应用物理学专业和依托物理学的各类工科专业本科生的重要基础课程。《电动力学》在普通物理课程《电磁学》、《光学》的基础上，对电磁现象进行深入研究和分析，对电磁实验规律进行归纳和提高，从而揭示电磁场的本质运动规律。《电动力学》课程对于后续物理课程的学习以及从事相关科学研究都具有基础性的重要意义，同时对于学习其它相关专业（如通信技术、电力系统、电子技术、激光技术、光学工程等）的课程也有重要影响。《电动力学》是学习许多理工科专业课程的基础，也是从事许多领域理工类研究的基础。

目前，常见的《电动力学》教学内容包括宏观经典电磁场理论和狭义相对论理论初步。经典电磁场理论部分主要包含电磁场的基本特性、宏观电磁场的运动规律和电磁场与物质的相互作用。主要内容涉及静电场和静磁场、介质在电磁场作用下的极化和磁化、电磁场的激发、电磁场与电荷和电流系统的相互作用、电磁场辐射、电磁波传播等。通过本课程的学习，学生可以深化对电磁理论基本物理量的认识，掌握采用势函数描述电磁场的方法，并能够正确运用矢势和标势研究电磁场；深化对于电场强度、电位移矢量、磁感应强度和磁场强度的理解，熟练掌握电磁场能量和能流密度等物理概念；对电磁理论建立基础的一系列实验定律（如库仑定律、安培环路定理、毕奥－萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律、楞茨定律等）有充分的认识和理解，掌握麦克斯韦方程和通过标势和矢势描述的达郎贝尔方程等并能够熟练运用它们解决相关电磁场问题。“狭义相对论”颠覆了伽利略的经典时空观，时空不再是独立于物质的东西，而是一种客观而具体的物理属性。从历史上看，“狭义相对论”的建立是源于十九世纪末二十世纪初对电磁规律的深入研究，因此，传统上也将“狭义相对论”内容纳入《电动力学》课程教学中。

《电动力学》是国内外著名高校物理类学科的必修课程之一，为了进一步提升国内《电动力学》的教学水平，需要我们不断的学习借鉴国外著名大学的教学内容和教学模式，以充实《电动力学》的教学内容，提高我们自身的教学水准。在教材方面，我们选取美国著名高校选用的三本教材：John David Jackson编著的《Classical Electrodynamics》、David J. Griffiths 和Reed College编著的《Introduction to Electrodynamics》以及L. D. Landau和 E. M. Lifshitz

编著的《Electrodynamics of continuous media》，国内高校广泛使用的三本教材：郭硕鸿编著的《电动力学》、蔡圣善等编著的《电动力学》以及俞允强编著的《简明电动力学教程》进行比较，通过教材整体架构、教学内容、侧重点、图表习题等编写内容的分析对比，逐步分析了这些教材的优点和不足之处，可为我们今后的《电动力学》教材编写和教学工作提供借鉴。

1.美国著名大学《电动力学》主流教材的内容与特色

1.1 国外教材之一——《ClassicalElectrodynamics（第三版）》教材的内容特点

（1）前言

本书是一本有着很高知名度的电动力学教材，长期以来被世界多所大学选用。该书自1962年首次出版以来，于1974年再版，2001年第三次出版。与前两版相比，第三版在保留基本经典电动力学内容的基础上，做了不少调整。比如在前10章中采用国际单位制，而在后面的章节中采用高斯制；由于计算仿真电磁学的飞速发展，增加了一些关于边界问题和数学计算方面的内容；删除了等离子体一章，将其部分内容在其他章节体现；增加了一些新的科技发展内容，如光纤、半导体波导管、同步辐射等。本书可作为物理类专业电动力学课程的教材，尤其适合开展双语教学的学校。对于有志出国深造的人员也是必不可少的参考书。（2）作者简介

John David Jackson，1952年2月19日生于加拿大，理论物理学家。加利福尼亚大学大学伯克利分校荣誉教授和劳伦斯伯克利国家实验室的资深荣誉科学家。Jackson教授是美国国家科学院院士，以众多关于核物理和原子物理的出版物以及暑期学校讲座闻名。他的《ClassicalElectrodynamics》一书被广泛的选作研究生教材使用。Jackson于1946年在西安大略大学获得物理和数学学士学位，并于1949年于麻省理工大学获得博士学位。1950年至1957年在麦吉尔大学担任数学助教和副教授；1957年至1967年在伊利诺伊大学物理系工作；1967年开始在加利福尼亚大学伯克利分校物理系工作，随后进入劳伦斯伯克利国家实验室工作直至1993年退休。从1950年在麦吉尔大学工作开始，Jackson着手了经典电动力学的编写工作，最终在1962年在伊利诺伊大学工作时期首次出版。该书在作者在伯克利任教期间第二次和第三次出版。

（3）教材总体架构与内容简介

该书内容丰富，几乎涵盖了当今电动力学的全部内容。全书分为16章，系统全面的介绍了电动力学涉及的各种原理和问题：在综述章节分别介绍了真空、场和源中的麦克斯韦方程，反平方比定律/光子质量，线性叠合，宏观可见介质中的麦克斯韦方程，不同介质间的边界条件以及一些电动力学中的理想化条件；第一章为静电学简介，分别介绍了库伦定律、

高斯定律、格林定理、静电场的数值边界条件、拉普拉斯方程、波松方程、能流、电容、二维经典问题的弛豫理论等；第二章和第三章为静电学中的边界问题，分别介绍了镜像法、点电荷及二维情况下的边界条件、有限元法分析静电场、球坐标系下的拉普拉斯方程、对称方位角情况下的边界条件、在球坐标下的格林函数以及混合边界条件等等处理静电学中问题的常用方法；第四章为多极子，宏观电介质中静电学问题，分别介绍了外电场电荷能量分布的多级展开、电介质中的边界条件、分子极化和磁化系数、电介质中的静电场能量；第五章为恒磁场、准静态场问题，分别介绍了毕奥－萨伐尔定律、安培定律、法拉第定律、恒磁场中的边界条件问题、二维恒磁场的数值方法、导体中的准恒磁场等；第六章为麦克斯韦方程、宏观电磁学和守恒定律，分别介绍了麦克斯韦方程、位移电流、平面波的格林方程、波印亭理论、能量和动量守恒定律、电磁场传输理论、磁单极子的讨论、狄拉克量子化情况、极化向量等；第七章为平面电磁波及其传播问题，分别介绍了非传导介质中的平面波、线性和环形偏振、平面界面上的反射和折射、介质、导体、等离子体中的色散、磁流体动力学波、群速度、色散介质中的电磁传播等；第八章为波导、共振腔和光纤问题，分别介绍了导体内部和表面的场、柱状腔和波导、矩形波导中的模式、共振腔中的能量损耗、光纤中的多模式传输、电磁波在金属腔中的传输等；第九章为辐射系统和多级场问题，分别介绍了局域振荡源的场和辐射、电偶极子的场和辐射、波导中孔或局域源的多级展开、电磁场的多级展开、原子和核子的多级辐射、线性Center-Fed天线的多级辐射等；第十章为散射和衍射问题，分别介绍了长波的散射、散射的相关理论、球面波展开、球体对电磁波的散射、衍射理论、巴比涅理论、圆形小孔的衍射、衍射极限等；第十一章为狭义相对论问题，分别介绍了爱因斯坦的两个假设、洛仑兹变换、粒子的相对动量和能量、相对论的时空数学特性、托马斯运动、电磁场的传输、均衡外场或缓变外场中自旋动量的相对论方程等；第十二章为相对论粒子和电磁场的动力学问题，分别介绍了外电磁场中的带点粒子的拉格朗日和哈密顿量、均衡磁场中的动量、均衡电场中的动量、光子质量效应、有效光子质量、守恒定律、协变形式的波方程的解等；第十三章为带电粒子的碰撞、能量损耗和散射、跃迁辐射问题，分别介绍了重入射粒子和自由电子碰撞中的能量传输、硬碰撞中的能量损耗、软碰撞中的能量损耗、切伦科夫辐射、原子的弹性散射、跃迁辐射等；第十四章为运动电荷的辐射问题，分别介绍了李纳-维谢尔势和场、加速电荷的辐射功率及其相对论性推广、加速电荷的辐射角分布、电磁波的汤姆孙散射、准自由电荷对辐射波的散射、相干与不相干散射、渡越辐射等；第十五章为轫致辐射、虚量子方法、辐射性β过程，分别介绍了碰撞时所放出的辐射、库伦碰撞中的轫致辐射、屏蔽效应、虚量子方法、β衰变时的辐射等；第十六章为辐射阻尼和带电粒子经典模式问题，分别介绍了辐射反作用力、自力的阿伯拉罕-洛仑兹算法、电磁能量和电磁动量的协变定义、振子的谱线宽度与能级移动、振子对辐射波的散射和吸收等。

（4）该书特色

本书内容齐备丰富，从静电学、静磁学开始，对电动力学这门学科作了详细的阐述，而