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中国科技大学 电磁学

中国科技大学 电磁学

共68讲 更新完毕

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内容介绍

    中国科学技术大学 电磁学

    主讲:程福臻 教授

    自从1958年中国科学技术大学创立以来,电磁学便指定为全校本科生的必修基础课,著名的物理学家严济慈副校长亲自主讲该课程并培养了一大批青年教师,严济慈先生生动、严谨的讲授使连续五届的大学生终身受益,建立了优良的教风和学风。继承严老的教学风范,一大批优秀的青年教师脱颖而出,除了文化大革命的近7年的停课,三十多年的教学积累,使电磁学课程的教学走向成熟。

     

    教学大纲 . 

    课程编号:02205201---02205205,02214601---02214613

    预修课程:高等数学、力学

    开课学期:每年秋季

    总 学 时:72

    学 分:4

    大纲撰写人:电磁学课程组 胡友秋、程福臻

     

    一、 教学目标及要求

     

    使本科生掌握电磁相互作用的基本规律。要求他们:

    1. 了解电荷、电流产生电场、磁场的规律;

    2. 了解电场与磁场的联系;

    3. 理解电磁场的物质性:它的能量、动量及角动量;

    4. 了解电场、磁场与各种物质的相互作用;

    5. 理解麦克斯韦电磁理论;

    6. 了解电磁学与其它学科的联系;

    7. 了解电磁学与实际应用、高新技术的关系;

    8. 得到一定的科学素质教育:科学精神的培养,了解一些科学方法,明白科学思维的重要性以及科学与哲学的关系。

     

    二、教学重点和难点

     

    分章阐述:

    第一章是静电学的基础。重点是电荷守恒原理;库仑的实验及库仑定律,静电力的叠加原理;静电场的描述,电场强度的引入;表述静电场整体性质的高斯定理及环路定理;用高斯定理求电场;由环路定理引出的电势,电势与电场强度的关系。其中的难点是电场的基本概念理解;静电场的两条基本定理的把握及应用;电势的零点的选取问题。

    第二章是从静电场和物质的相互作用角度去研究各种物质中的静电场。重点是在静电场中的导体达到静电平衡时的性质;电容的定义与电容器;在静电场中电介质的极化机理及其描述,极化强度矢量;电介质中静电场的两条基本定理,电位移矢量的引入,高斯定理的应用;两种介质界面上的边值关系;唯一性定理的阐述及电像法。难点是导体达到静电平衡时的性质,导体表面电荷的分布;极化强度矢量的引入;电位移矢量的引入;对电像法的理解及运用。

    第三章的重点是静电能储存在静电场中,静电场具有能量;非线性介质中有电滞损耗;可以用静电能求静电力。难点在点电荷系统的静电能与电场能量之间的关系;非线性介质及电滞损耗。

    第四章的重点是电流密度的概念;电荷守恒定律的表达;稳恒条件及稳恒电路的欧姆定律;解复杂电路的基尔霍夫定律及应用。难点在于积分与微分形式的电荷守恒定律的理解;基尔霍夫定律的理解及熟练应用。

    第五章与第一章的许多内容有平行之处。其重点是奥斯特的实验发现;磁场的引入与表达;安培的著名实验与安培定律;毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律及其应用;描述磁场总体性质的两条基本定理的理解;安培环路定律的应用。难点是磁场概念的理解;毕奥-萨伐尔-拉普拉斯定律的应用;磁场的两条基本定理的掌握及其应用。

    第六章与第二章的许多内容有平行之处。重点是理解磁场与物质的相互作用的本质;磁介质的磁化及其表述的物理量;唯一性定理的表述及几种磁场的求解方法;洛仑兹力与带电粒子在磁场中的运动特点。难点在于各种磁介质特性的微观解释;磁荷法的理解与掌握;磁象法的熟练应用。

    第七章法拉弟电磁感应定律的发现是重要的,其发现过程具有启发性;法拉弟对感生电动势的科学解释应该掌握,另外的重点是互感与自感的引入及计算;似稳电路的条件和暂态过程的分析、方程的建立。难点在于感生电动势的理解;暂态过程的掌握。

    第八章与第三章的许多内容有平行之处。重点是磁能储存在磁场中,磁场具有能量;从N个载流线圈系统的磁能到磁场的磁能是一致的;利用磁能求磁力。在学好第三章的基础上,本章的难点仅在于熟练掌握磁能的求法。

    第九章交流电流的重点是几种描述方法;复数表示法,相位的概念,复阻抗的引入;交流电的功率;串联谐振与并联谐振。难点是几种描述方法的等效性与关联;相位、复阻抗的理解;几种功率的关系;谐振条件及谐振的应用。

    第十章的重点在于麦克斯韦方程的丰富的物理涵意;平面电磁波的产生与性质;电磁场的能量、动量。难点在于理解麦克斯韦方程的对称性问题;电磁场的角动量。

    第十一章的重点是理解介质的电磁性能方程的重要性,各种介质电磁性能方程如何取得;三种特殊介质的性能方程;在这三种特殊介质中的电磁场的特点。难点是学时不够情况下只能介绍其中之一;缓慢运动介质涉及到狭义相对论,难以理解和掌握;超导介质涉及一点量子力学。

    第十二章可以自学。重点是单位制怎样建立;量纲分析的重要性和应用;国际单位制和高斯制的关系。难点在于单位换算。

     

    三、教材及主要参考书

     

    教材:

    1.物理型系学生用:《电磁学》,胡友秋,程福臻,刘之景编,1997年3月,高等教育出版社

    2.非物理型、理工科系学生用:《电磁学》,张玉民,戚伯云编,1997年9月,中国科学技术大学出版社

    参考书:

    1.《电磁学》,赵凯华、陈熙谋,2003年4月,高等教育出版社

    2.《电磁学专题研究》,陈秉乾、舒幼生、胡望雨,2001年12月,高等教育出版社

    3.《电磁学》《伯克利物理学教程》第二卷,(美)E.M.珀塞尔著,南开大学物理系译,1979年6月,科学出版社

    4.《物理学》第二卷第一册,[美]D.哈里德,R.瑞斯尼克著,李仲卿等译,1979年6月,科学出版社

    5.《普通物理学》第二卷,C.З.福里斯,A.B.季莫列娃著,梁宝洪译,1958年11月,高等教育出版社

    6.《电磁学》第二版,贾起民,郑永令,陈暨耀,2001年1月,高等教育出版社

    7.《电磁学》,陈秉乾、王稼军编著,2003年5月,北京大学出版社

     

    四、课程章节及学时分配

     

    绪论 (1学时)

    第一章 真空中的静电场 (7学时)

    §1.1 电荷守恒

    §1.1.1 电荷是什么?

    §1.1.2 电荷的特点

    §1.1.3 电荷守恒

    §1.2 库仑定律

    §1.2.1 库仑定律

    §1.2.2 库仑定律和万有引力的对比

    §1.3 叠加原理

    §1.3.1 叠加原理表述 

    §1.3.2 各种电磁体系对静止点电荷的作用力公式

    §1.4 电场强度

    §1.4.1 电场强度E定义

    §1.4.2 各种带电提的E公式

    §1.4.3 典型例子

    §1.5 高斯定理

    §1.5.1 电通量

    §1.5.2 高斯定理

    §1.5.3 高斯定理与库仑定律的关系

    §1.5.4 高斯定理举例

    §1.5.5 电力线

    §1.6 环路定理

    §1.6.1 水流速度场的环量

    §1.6.2 静电场的环量

    §1.7 电势

    §1.7.1 电势差与电势 

    §1.7.2 电势的一般表达式

    §1.7.3 E与U的关系

    §1.7.4 等势面

    §1.7.5 应用举例

    小结一

    第二章 静电场与物质的相互作用 (8学时)

    §2.1 物质的电性质

    §2.1.1 物质电性质分类

    §2.1.2 电场对电荷系统的作用力类

    §2.2 静电场中的导体

    §2.2.1 导体达到静电平衡的条件

    §2.2.2 处在静电平衡条件下导体的性质

    §2.2.3 几种应用

    §2.2.4 高斯定理和库仑定理的精确实验验证

    §2.3 电容与电容器

    §2.3.1 孤立导体的电容

    §2.3.2 电容器

    §2.3.3 电容器的联结

    §2.4 电介质

    §2.4.1 电介质及其极化的解释

    §2.5 极化强度矢量P

    §2.5.1 P与极化电荷的关系

    §2.5.2 P与电场E的关系

    §2.6 电介质中静电场的基本定理

    §2.6.1 高斯定理

    §2.6.2 环路定理

    §2.7 边值关系与唯一性定理

    §2.7.1 电场强度E

    §2.7.2 电位移矢量D

    §2.7.3 电势U

    §2.7.4 静电场唯一性定理

    §2.7.5 应用举例

    §2.8 电像法

    §2.8.1 应用举例

    第三章 静电能 (6学时)

    §3.1 真空中点电荷系统的静电能

    §3.2 连续电荷分布的静电能

    §3.3 电荷体系在外电场中的静电能

    §3.4 电场的能量与能量密度

    §3.5 非线性介质及其电滞损耗

    §3.6 利用静电能求静电力

    小结三

    第四章 稳恒电流 (6学时)

    §4.1稳恒条件

    §4.1.1 电流强度与电流密度

    §4.1.2 电流连续性方程

    §4.1.3 稳恒条件

    §4.2 欧姆定律

    §4.2.1 欧姆定律

    §4.2.2 焦耳定律

    §4.2.3 用经典电子论解释两个定律

    §4.2.4 欧姆定律的失效问题

    §4.3 电源及电动势

    §4.3.1 电源及电动势

    §4.3.2 常见的几种稳恒电源

    §4.3.3 全电路欧姆定律

    §4.3.4 稳恒电路的特点

    §4.4基尔霍夫定律

    §4.4.1 基本概念及定律的表述

    §4.4.2 支路电流法

    §4.4.3 回路电流法

    §4.5稳恒电流和静电场的综合求解

    §4.5.1 基本方程

    §4.5.2 基本方程的闭合性

    §4.5.3 与纯静电场问题类比

    小结四

    第五章 真空中的静磁场 (6学时)

    §5.1 磁场

    §5.1.1 磁现象

    §5.1.2 安培定律

    §5.1.3 磁感应强度

    §5.2毕奥.萨伐尔.拉普拉斯定律

    §5.3 磁场的高斯定理与环路定理

    §5.3.1 磁通量与高斯定理

    §5.3.2 安培环路定理

    §5.3.3 安培环路定理应用

    §5.4 带电粒子在磁场中的运动

    §5.4.1 带电粒子在磁场中运动特征

    §5.4.2 应用举例

    §5.4.3 宏观效应

    第六章 磁场与物质相互作用 (8学时)

    §6.1 磁场对电流的作用

    §6.2磁介质

    §6.2.1 磁化强度

    §6.2.2 磁化电流

    §6.2.3 磁介质中静磁场的基本规律

    §6.2.4 介质的磁化规律

    §6.2.5 介质磁化的微观机制

    §6.2.6 环路定律的应用举例

    §6.3 边值关系与唯一性定理

    §6.3.1 磁场在磁介质界面上的边值关系

    §6.3.2 静磁场的唯一性定理

    §6.3.3 分区均匀各向同性介质中的静磁场

    §6.4 磁荷法

    §6.4.1 磁荷观点下的静磁场规律

    §6.4.2 磁荷法和电流法的等效性

    §6.4.3 磁荷法应用

    §6.5 磁像法

    §6.5.1 介质界面为无限大平面

    §6.5.2 介质界面为无限长圆柱面

    §6.6 磁路定理

    §6.6.1 磁路定理

    §6.6.2 磁路与电路的对比

    小结六

    第七章 电磁感应 (6学时)

    §7.1 电磁感应定律

    §7.1.1 电磁感应现象

    §7.1.2 法拉第电磁感应定律

    §7.1.3 感应电动势计算

    §7.1.4 涡流现象

    §7.2 动生电动势和感生电动势

    §7.2.1 电磁感应定律和磁场的高斯定理

    §7.2.2 动生电动势

    §7.2.3 感生电动势

    §7.2.4 电磁感应加速器

    §7.3 互感与自感

    §7.3.1 互感现象与互感系数

    §7.3.2 自感现象与自感系数

    §7.3.3 两个线圈的串联和并联

    §7.4 似稳电路和暂态过程

    §7.4.1 似稳条件

    §7.4.2 似稳电路方程

    §7.4.3 暂态过程

    小结七

    第八章 磁能 (6学时)

    §8.1一个载流线圈的磁能

    §8.2 N个载流线圈系统的磁能

    §8.3 载流线圈在外磁场中的磁场

    §8.4 磁场的能量与能量密度

    §8.5 非线性介质的磁滞损耗

    §8.6 利用磁能求磁力

    小结八

    第九章 交流电路 (4学时)

    §9.1基本概念和描述方法

    §9.1.1 基本概念

    §9.1.2 描述方法

    §9.2 交流电路的复数解法

    §9.2.1 交流电路的基本方程

    §9.2.2 电路方程的复数形式

    §9.2.3 交流电路元件的复阻抗

    §9.3 交流电的功率

    §9.3.1 瞬时功率

    §9.3.2 平均功率

    §9.3.3 视在功率与功率因数

    §9.4 两种谐振电路

    §9.4.1 串联谐振电路

    §9.4.2 并联谐振电路

    §9.4.3 变压器电路

    小结九

    第十章 麦克斯韦电磁理论 (4学时)

    §10.1 位移电流

    §10.2 真空中的麦克斯韦方程组

    §10.3 平面电磁波

    §10.3.1 电磁波的产生机制

    §10.3.2 平面电磁波的性质

    §10.3.3 电磁波的实验验证

    §10.3.4 电磁波谱

    §10.4 电磁场的能量、动量和角动量

    §10.4.1 电磁场的能量、动量和角动量

    §10.4.2 平面电磁波的能量和动量

    §10.4.3 光压

    小结十

    第十一章 特殊介质中的电磁理论 (6+4学时)(可选讲)

    §11.1 概述

    §11.2 缓慢运动介质

    §11.2.1 电磁量的变换公式

    §11.2.2 运动介质的电磁性能方程

    §11.2.3 缓慢运动介质中的稳恒场

    §11.2.4 缓慢运动介质中的电磁波

    §11.3 超导介质的电磁特性

    §11.3.1 几个重要的实验结果

    §11.3.2 超导性的唯象理论—二流体模型

    §11.3.3 超导介质的电磁性能方程

    §11.3.4 伦敦方程的应用举例

    §11.4 等离子体中的电磁波

    §11.4.1 电磁性能方程

    §11.4.2 匀等离子体中的高频简谐电磁波

    §11.4.3 色散现象与色散关系

    §11.4.4 各向异性等离子体中的电磁波

    §11.4.5 法拉第旋转效应

    小结十一

    第十二章 单位制和量纲 (2学时)(可自学)

    §12.1 单位制

    §12.2 量纲

    §12.3 国际单位制和高斯单位制

    §12.4 单位制间的公式变换和单位换算

    小结十二

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