基本介紹
- 中文名：電磁場與電磁波
- 外文名：Electromagnetic Fields and Waves
- 類別：慕課、國家精品線上開放課程、國家級一流本科課程
- 提供院校：北京交通大學
- 授課平台：中國大學MOOC
- 開課時間：2018年2月27日（首次）
- 授課教師：邵小桃、李一玫、王國棟、張波、郭勇、崔勇、衛延、王鑫、王子瀟、李海粟、高青鶴
課程性質,課程背景,課程定位,適應專業,開課信息,課程簡介,課程大綱,課前預備,預備知識,學習資料,授課目標,課程特色,課程考核,所獲榮譽,教師簡介,
課程性質
課程背景
資訊時代，電磁場與電磁波的套用無處不在，電磁場理論可以利用數學語言來描述客觀的物理定律翻充，通過數學方程的解來揭示場和波的客觀存在。在此背景下，北京交通大學開設了電磁場與電磁波課程。
課程定位
電磁場與電磁波課程是電子信息與電氣工程類等專業本科生必修的專業基礎課，屬於理論與實踐緊密結合的課程，也是後續微波技術基礎、天線與電波傳播、電磁兼容理論等課程的先修課程。
適應專業
電磁場與電磁波課程適用於電子信息與電氣工程類等專業學習。
開課信息
| 開課次數 | 開課時間 | 授課教師 | 學時安排 | 參與人數 |
|---|---|---|---|---|
第1次開課 | 2018年02月27日~2018年07月02日 | 邵小桃、李一玫、王國棟、張波、郭勇、崔勇、衛延、王鑫 | 3~5小時/周 | 13032人 |
第2次開課 | 2018年08月27日~2019年01月07日 | 13290人 | ||
第3次開課 | 2019年02月18日~2019年06月30日 | 12747人 | ||
第4次開課 | 2019年08月26日~2019年12月30日 | 12712人 | ||
第5次開課 | 2020年02月17日~2020年06月29日 | 21539人 | ||
第6次開課 | 2020年08月24日~2021年01月05日 | 邵小桃、李一玫、郭勇、王國棟、衛延、崔勇、王鑫、王子瀟、李海粟、張波 | 8500人 | |
第7次開課 | 2021年02月22日~2021年06月21日 | 邵小桃、郭勇、李一玫、衛延、王鑫、王子瀟、李海粟、高青鶴、王國棟、張波、崔勇精應榆 | 待定 | |
（表格內容參考資料） | ||||
課程簡介
電磁場與電磁波課程介紹了矢量分析、靜電場、恆定電場、恆定磁場、時變電磁場和平面電磁波等內容，通過視頻講授、單元測驗、單元作業、隨堂測驗、討論、答疑、階段測驗及期末考試等環節進行教學；安排了靜態場演示實驗和時變電磁場演示實驗，還補充了10個“知識拓展與套用”的內容。
課程大綱
電磁場與電磁波課程第1、2、4次開課課程大綱相同，以“章-節”的結構列出，共6章內容；第3次開課課程大綱以“課時-知識點”的結構列出，並增加了討論題、單元測驗和演示實驗等內容，第5~7次開課較第3次開課在課程末尾增加了“知識拓展與套用”部分的內容。課程大綱具體安排如下：
| 章內容 | 節內容 | 章內容 | 節內容 |
|---|---|---|---|
第1章 矢量分析 | 1.1 矢量運算 | 第4章 恆定磁場 | 4.1 安培力定律與磁感應強度 |
1.2 標量場和矢量場 | 4.2 恆定磁場基本方程和邊界條件 | ||
1.3 正交坐標系與微分元 | 4.3 矢量磁位的性質以及計算 | ||
1.4 標量場的方嚮導數和梯度 | 4.4 標量磁位的意義 | ||
1.5 矢量場的通量和散度 | 4.5 介質的磁化現象 | ||
1.6 矢量場的環量和旋度 | 4.6 自感和互感的求解方法 | ||
1.7 亥姆霍茲定理 | 4.7 恆定磁場的能量 磁場力 | ||
第2章 靜電局朵籃場 | 2.1 庫侖定律 電場強度 | 第想提故酷5章 時變電磁場 | 5.1 法拉第電磁感應定律 |
2.2 靜電場的基本方程和邊界條件 | 5.2 位移電流 | ||
2.3 電位的性質以及計算 | 5.3 麥克斯韋方程組和邊界條件 | ||
2.4 介質中的高斯定理和邊界條件 | 5.4 正弦電磁場的複數表示法 | ||
2.5 泊松方棄格尋程、拉普拉斯方程 | 5.5 坡印廷矢量和坡印廷定理 | ||
2.6 分離變道埋愉判量法 | 5.6 時變場的動態位 | ||
2.7 鏡像法 | 第6章 平面電磁波 | 6.1 理想介質中的均勻平面波 | |
2.8 多導體的電容 | 6.2 電磁波的極化特性 | ||
2.9 靜電場的能量 靜電力 | 6.3 平面電磁波在導電媒質中的傳播特性 | ||
第3章 恆定電場 | 3.1 電流密度的概念 | 6.4 均勻平面電磁波垂直入射 | |
3.2 恆定電場基本方程和邊界條件 | 6.5 均勻平面電磁波的斜入射 | ||
3.3 靜電比擬的分析方法 | 6.6 群速 | ||
（課程大綱從左至右列出，表格內容參考資料） | |||
第1講 緒論 & 第1章 矢量分析 | 3.2 恆定電場的基本方程 | 5.17 頻域坡印廷定理 |
0.1 緒論 | 3.3 恆定電場的邊界條件 | 5.18 平行雙線套用分析 |
1.0 矢量分析導論 | 第10講 第3章 恆定電場 續 | 5.19 同軸線套用分析 |
1.1 矢量運算 | 3.4 恆定電場與靜電場的比擬套用 | 5.20 動態位方程 |
1.2 標量場與矢量場 | 3.5 電阻和電導的計算 | 5.21 動態位方程的解 |
1.3 正交坑汗趨坐標系與微分元 | 3.6 接地電阻 小結 | 5.22 小結 |
1.4 圓柱坐標系 | 第3章 討論題 | 第5章 討論題 |
1.5 圓柱坐標系的微分元 | 第5周 單元測驗 | 第10周 單元測驗 |
1.6 球坐標系與微分元 | 第11講 第4章 恆定磁場 | 第10周 單元作業 |
第2講 第1章 矢量分析 續 | 4.0 恆定磁場導論 | 第19講 平面電磁波 |
1.7 標量場的方嚮導數和梯度 | 4.1 安培力定律 | 6.0 平面波導論 |
1.8 梯度的性質和物理意義 | 4.2 磁感應強度 | 6.1 均勻平面波的方程和解式 |
1.9 矢量場的通量 | 4.3 磁感應強度計算 | 6.2 描述均勻平面波的參數 |
1.10 矢量場的散度 | 4.4 洛倫茲力 | 6.3 均勻平面波的傳播特性 |
1.11 散度的物理意義 | 4.5 真空中恆定磁場的基本方程 | 6.4 均勻平面波的一般表達式 |
1.12 散度定理 | 4.6 真空中恆定磁場的基本方程套用舉例 | 第20講 平面電磁波 續1 |
1.13 環量和渦旋源 旋度的定義 | 第12講 恆定磁場 續1 | 6.5 電磁波的極化 線極化 |
1.14 旋度的數學計算式 | 4.7 矢量磁位 | 6.6 圓極化和橢圓極化 |
1.15 旋度的性質 | 4.8 磁偶極子 | 6.7 線圓極化波的合成和分解 |
1.16 斯托克斯定理 | 4.9 介質的磁化 | 6.8 復矢量判定波的極化 |
1.17 三度小結 | 4.10 磁介質中的安培環路定理 | 6.9 波極化套用舉例 |
1.18 亥姆霍茲定理 | 4.11 磁介質中的安培環路定理套用舉例 | 第11周 單元測驗 |
第1周 單元測驗 | 第6周 單元測驗 | 第21講 平面電磁波 續2 |
第3講 第2章 靜電場 | 第6周 單元作業 | 6.10 有耗媒質中的均勻平面波 |
2.0 靜電場導論 | 第13講 恆定磁場 續2 | 6.11 半導電媒質中的均勻平面波 |
2.1 電場強度 庫侖定律 | 4.12 兩種磁介質分界面上的邊界條件 | 6.12 良導體中的均勻平面波 |
2.2 電場強度計算 | 4.13 理想導磁體表面的邊界條件 | 6.13 良介質和色散介質中的均勻平面波 |
2.3 靜電場的通量和散度 | 4.14 矢量磁位的邊界條件 套用舉例 | 第22講 平面電磁波 續3 |
2.4 靜電場的環量和旋度 靜電場的基本方程 | 4.15 標量磁位 | 6.14 理想介質分界面的垂直入射 |
2.5 真空中靜電場的基本方程的套用 | 第14講 恆定磁場 續3 | 6.15 理想導體表面的垂直入射 |
第4講 第2章 靜電場 續1 | 4.16 自感和互感 | 6.16 良導體表面的垂直入射 |
2.6 電位的定義 | 4.17 自感和互感的計算 1 | 6.17 平行極化波的斜入射 |
2.7 電位的計算 | 4.18 自感和互感的計算 2 | 6.18 垂直極化波的斜入射 |
2.8 電偶極子 | 4.19 磁場能量 磁場力 舉例 小結 | 第12周 單元測驗 |
2.9 介質的極化 | 第4章 討論題 | 第12周 單元作業 |
2.10 極化介質的電位 | 第7周 單元測驗 | 第23講 平面電磁波 續4 |
2.11 介質中的高斯定律 | 第15講 時變電磁場 | 6.19 波的全反射 |
2.12 介質中的高斯定律套用舉例 | 5.0 時變電磁場導論 | 6.20 波的全折射 |
第2周 單元測驗 | 5.1 法拉第電磁感應定律現象 | 6.21 理想導體表面的斜入射 |
第2周 單元作業 | 5.2 法拉第電磁感應定律 | 6.22 群速 |
第5講 第2章 靜電場 續2 | 5.3 法拉第電磁感應定律套用 | 6.23 小結 |
2.13 靜電場的邊界條件 | 5.4 位移電流的概念 | 第6章 討論題 |
2.14 邊界條件分析舉例 1 | 5.5 似穩電磁場 | 時變電磁場演示實驗 |
2.15 邊界條件分析舉例 2 | 第16講 時變電磁場 續1 | 電磁感應實驗1 |
2.16 泊松方程與拉普拉斯方程 | 5.6 麥克斯韋方程組 | 電磁感應實驗2 |
2.17 一維邊值問題分析舉例 | 5.7 無源區的麥克斯韋方程組 | 電磁波發射接收——八木天線 |
第6講 第2章 靜電場 續3 | 5.8 麥克斯韋方程組的套用 | 電磁波發射接收——趨膚效應 |
2.18 格林定理 唯一性定理 | 5.9 無源區的波動方程 | 微波分光儀介紹 |
2.19 直角坐標系的分離變數法 | 5.10 電磁波的一般概念 | 微波分光儀反射實驗 |
2.20 圓柱坐標系的分離變數法 | 5.11 時變電磁場的邊界條件 | 麥可遜干涉實驗 |
2.21 球坐標系的分離變數法 | 5.12 時變電磁場的邊界條件套用 | 介電常數測量實驗 |
第3周 單元測驗 | 第9周 單元測驗 | 全折射實驗 |
第3周 單元作業 | 第9周 單元作業 | 圓極化波的產生1 |
第7講 第2章 靜電場 續4 | 靜態場演示實驗 | 圓極化波的產生2 |
2.22 平面鏡像法 | 靜電起電機 | 圓極化波的反射與折射 |
2.23 球面鏡像法 | 靜電除塵實驗 | 知識拓展與套用（第5~7次開課增設內容） |
第8講 第2章 靜電場 續5 | 靜電電動機實驗 | 5G技術通俗易懂的講解 |
2.24 多導體系統間的部分電容定義 | 靜電風車實驗 | FAST - 500米口徑球面射電望遠鏡 |
2.25 多導體部分電容的套用舉例 | 靜電單擺實驗 | 電磁場對健康的影響 |
2.26 靜電場能量 | 磁懸浮實驗 | 靜電力 |
2.27 靜電力 小結 | 第17講 時變電磁場 續2 | 超導技術 |
第2章 討論題 | 5.13 正弦電磁場的複數表示法 | 電磁感應 |
第4周 單元測驗 | 5.14 麥克斯韋方程組的複數形式 | 吸波、透波及縮波效應 |
第9講 第3章 恆定電場 | 5.15 波動方程的複數形式 | 高功率微波 |
3.0 恆定電場導論 | 第18講 時變電磁場 續3 | 閃電 |
3.1 電流密度 | 5.16 時域坡印廷定理 | 雷電及防護 |
（課程大綱從左至右列出，表格內容參考資料） | ||
課前預備
預備知識
學習電磁場與電磁波課程需要先修以下課程，掌握相關知識點：
- 高等數學課程相關知識點，如矢量分析、場論、線積分、面積分、體積分等內容；
- 大學物理課程相關知識點，如電學和磁學部分的內容；
- 電路分析課程相關知識點，如基爾霍夫定律、電阻、電容、電感的定義及計算等內容。
學習資料
| 書名 | 作者 | ISBN | 出版時間 | 出版社 |
|---|---|---|---|---|
《電磁場與電磁波（M+Book）》 | 邵小桃 | 9787512133129 | 2018年 | 清華大學出版社，北京交通大學出版社 |
《電磁場與電磁波》 | 邵小桃 | 9787512116719 | 2014年 | |
《電磁場與電磁波習題解答》 | 李一玫 | 9787512120440 | 2014年 | |
《電磁場與電磁波（第4版）》 | 謝處方、饒克謹 | 9787040182583 | 2006年 | 高等教育出版社 |
《電磁場與電磁波（第1版）》 | 楊儒貴 | 7040118939 | 2003年 | |
《電磁場與電磁波（第3版）》 | 謝處方、饒克謹 | - | 1999年 | |
《電磁場與電磁波（第1版）》 | 王家禮、朱滿座、路宏敏 | 7560609406 | 2000年 | 西安電子科技大學出版社 |
《套用電磁學基礎（第6版）》 | 邵小桃等譯 | 9787302388722 | 2016年 | 清華大學出版社 |
《電磁場基礎》 | 邵小桃等譯 | 9787121308444 | 2017年 | 電子工業出版社 |
《Electromagnetic Wave Theory（影印版）》 | JIN AU KONG | - | 2002年 | 高等教育出版社 |
（表格內容參考資料） | ||||
授課目標
通過電磁場與電磁波課程的學習，掌握電磁場與電磁波系統分析與設計所需要的數學基礎，使學生全面理解和掌握電磁場和電磁波的理論體系，掌握靜態場和時變場的基本方程及邊界條件，對基本的電磁場分布和電磁波的傳播特性進行計算和分析；重點掌握麥克斯韋方程組的物理意義及其套用，並對均勻平面波在不同媒質中的傳播特性有正確的理解和認識；培養學生分析問題和解決實際問題的能力，提高學生自主學習與探究的能力，為今後深入學習及套用打下良好的基礎。
課程特色
電磁場與電磁波課程在授課視頻中添加了許多動畫、Matlab仿真，圖文並茂。課程還安排了包括靜電場、磁懸浮、電磁感應和平面電磁波的部分演示實驗，通過觀察實驗結果，分析實驗現象，使學生進一步加深對電磁場理論的理解和掌握。課程最後添加了10個“知識拓展與套用”，理論聯繫實際，啟發探究，不斷創新。另外，為了方便學習，課程全部視頻都配有字幕可供選擇。
課程考核
電磁場與電磁波課程成績滿分100分，各教學環節成績分布為：單元測驗占總成績的20%、單元作業占總成績的10%、階段測驗占總成績的35%、期末考試占總成績的35%。另外，隨堂測驗不計成績，討論題根據參與活躍度，可得到1~3分額外加分。
完成全部課程的學習，總成績為60分以上，將獲得結業證書；總成績為85分以上，將獲得優秀證書。
所獲榮譽
2019年，該課程被認定為國家精品線上開放課程；
2020年，該課程被教育部認定為首批“國家級一流本科課程”（線上一流課程）。
教師簡介
課前預備
預備知識
學習電磁場與電磁波課程需要先修以下課程，掌握相關知識點：
- 高等數學課程相關知識點，如矢量分析、場論、線積分、面積分、體積分等內容；
- 大學物理課程相關知識點，如電學和磁學部分的內容；
- 電路分析課程相關知識點，如基爾霍夫定律、電阻、電容、電感的定義及計算等內容。
學習資料
| 書名 | 作者 | ISBN | 出版時間 | 出版社 |
|---|---|---|---|---|
《電磁場與電磁波（M+Book）》 | 邵小桃 | 9787512133129 | 2018年 | 清華大學出版社，北京交通大學出版社 |
《電磁場與電磁波》 | 邵小桃 | 9787512116719 | 2014年 | |
《電磁場與電磁波習題解答》 | 李一玫 | 9787512120440 | 2014年 | |
《電磁場與電磁波（第4版）》 | 謝處方、饒克謹 | 9787040182583 | 2006年 | 高等教育出版社 |
《電磁場與電磁波（第1版）》 | 楊儒貴 | 7040118939 | 2003年 | |
《電磁場與電磁波（第3版）》 | 謝處方、饒克謹 | - | 1999年 | |
《電磁場與電磁波（第1版）》 | 王家禮、朱滿座、路宏敏 | 7560609406 | 2000年 | 西安電子科技大學出版社 |
《套用電磁學基礎（第6版）》 | 邵小桃等譯 | 9787302388722 | 2016年 | 清華大學出版社 |
《電磁場基礎》 | 邵小桃等譯 | 9787121308444 | 2017年 | 電子工業出版社 |
《Electromagnetic Wave Theory（影印版）》 | JIN AU KONG | - | 2002年 | 高等教育出版社 |
（表格內容參考資料） | ||||
授課目標
通過電磁場與電磁波課程的學習，掌握電磁場與電磁波系統分析與設計所需要的數學基礎，使學生全面理解和掌握電磁場和電磁波的理論體系，掌握靜態場和時變場的基本方程及邊界條件，對基本的電磁場分布和電磁波的傳播特性進行計算和分析；重點掌握麥克斯韋方程組的物理意義及其套用，並對均勻平面波在不同媒質中的傳播特性有正確的理解和認識；培養學生分析問題和解決實際問題的能力，提高學生自主學習與探究的能力，為今後深入學習及套用打下良好的基礎。
課程特色
電磁場與電磁波課程在授課視頻中添加了許多動畫、Matlab仿真，圖文並茂。課程還安排了包括靜電場、磁懸浮、電磁感應和平面電磁波的部分演示實驗，通過觀察實驗結果，分析實驗現象，使學生進一步加深對電磁場理論的理解和掌握。課程最後添加了10個“知識拓展與套用”，理論聯繫實際，啟發探究，不斷創新。另外，為了方便學習，課程全部視頻都配有字幕可供選擇。
課程考核
電磁場與電磁波課程成績滿分100分，各教學環節成績分布為：單元測驗占總成績的20%、單元作業占總成績的10%、階段測驗占總成績的35%、期末考試占總成績的35%。另外，隨堂測驗不計成績，討論題根據參與活躍度，可得到1~3分額外加分。
完成全部課程的學習，總成績為60分以上，將獲得結業證書；總成績為85分以上，將獲得優秀證書。
所獲榮譽
2019年，該課程被認定為國家精品線上開放課程；
2020年，該課程被教育部認定為首批“國家級一流本科課程”（線上一流課程）。
