中国科技大学张璞扬教授“中国科技大学电磁学(非物理类)课程的基本要求”

1中国科学技术大学电磁学（非物理类）教学基本要求（草案）中国科学技术大学物理学院张璞扬总则:电磁学是普通物理系列中重要的基础课。鉴于研究对象的重大变化，必将引入新的概念、新的研究方法、新的描述方法和新的数学工具。这就要求,以学习“场”的概念和处理“场”的方法为中心，沿着“有源无旋场－无源有旋场－涡旋场－电磁场”的发展脉络，紧扣“静-动-变-波”的教学主线。在着重对电磁学基本概念、基本规律与基本方法进行阐述的基础上，重视内容的取材和更新，根据不同专业特点，适当增添一些与电磁学相关的现代科技知识介绍，以使学生开阔眼界、扩大知识面。在内容讲述上，力求做到突出重点、层次分明、由浅入深、逐步理解麦克斯韦的电磁场理论，为建立物理理论提供了光辉的范例。开场白:教员自我介绍（包括主讲、辅导）、联系方式、课程总体安排、成绩计算等等。绪论（1）1、1、什么是电磁学；2、研究的对象；3、适用范围；4、重要性；5、电磁学主要特色与历史沿革；6、教与学：课堂教学、课外教学相结合及其要求。2、.简要介绍矢量分析基础知识，突出梯度、旋度、散度及斯托克斯公式和高斯公式。第一章真空中的静电场(8)1.1电荷守恒：1、电荷的定义；2、电荷的特性；3、电荷守恒定律。1.2库仑定律：1、库仑定律建立的基础；2、库仑的扭称实验与电摆实验；3、库仑定律；4、对库仑定律的几点说明：特别是点电荷的概念；5、建立定律的归纳法简介。1.3叠加原理：1、叠加原理的表述；2、叠加原理的应用：各种带电体系对静止点电荷的作用力，首先引入电荷密度的概念；3.各种带电体系之间的作用力。1.4电场强度：1、电场强度的定义；2、各种带电体的电场强度；3、电场的物质性；4、计算电场的典型例子：电偶极子、线电荷、面电荷、球面电荷；5、电场线：规定、电场线的性质。21.5高斯定理：1、描叙矢量场性质的两个基本物理量：通量与环量；2、水流量—水通量—电通量；3、高斯定理—通量定理：其物理含义，并澄清“点电荷在高斯面”上的佯谬；4、高斯定理与库仑定律的关系；5、应用举例：适用的对象特征（对称性好）：均匀带电的无限大薄平板、均匀带电无限长细棒、均匀带电球的电场强度。1.6环路定理：1、水流速度场的环量；2、静电场的环量；3、环路定理；4、与库仑定律的关系1.7电势：1、电势差和电势：简介零点的选择；2、电势的一般表达式：3、E与U的微分关系；4、等势面；5、计算举例：电偶极子的电势及电场、均匀带电薄圆盘轴线上的电势与电场、均匀带电球壳的电场与电势。第二章静电场中的导体和电介质（14）2.1物质的电性质：1物质的电性质;2电场对电荷系统的作用2.2静电场中的导体:1、静电感应与静电平衡;2、处在静电平衡条件下导体的性质：导体上电荷的分布规律，静电空腔与静电屏蔽;3、导体在静电场中性质的应用：空腔带电的电势分布及带电量。2.3电容与电容器:1、孤立导体的电容;2、电容器：计算电容的一般步骤，举例：无限长平行导线单位长度分布电容;3、电容器的连接。2.4电介质：1、电介质微观模型；2、类型：有极分子与无极分子；3、极化方式：位移极化、转向极化。2.5极化强度矢量P:1、P与极化电荷的关系：nP；2、P与电场E的关系：重点介绍EPe0；3、举例：被极化的均匀电介质球极化电荷分布、平板电容器极化电荷分布。2.6电介质中静电场的基本定理:1、高斯定理：引入电位移矢量D，明确其物理意义，对各向同性介质有ED；2、环路定理；3、举例：平板电容器容量随介质分布变化而变化。2.7边值关系:1、电场强度切向连续；2、电位移矢量法向连续；3、电势连续；4、电位移线折射定律。2.8真空中点电荷的相互作用能：1、以三个点电荷系统为例，引入点电荷3系统相互作用能；2、举例：立方体晶体空间点阵相互作用能计算。2.9连续电荷分布的静电能：1、推导连续电荷分布静电能公式；2、讨论：互自；点电荷自能；udqW与UdqW21的区别与应用；以均匀带电球体为例计算静电能。2.10电荷体系在外电场中的静电能：1、电荷体系在外电场中的静电能dVUWrvree；2、对点电荷系riNiieUqW1。2.11电场的能量和能量密度：1、平板电容器的能量分布；2、电能密度。第三章稳恒电流（6）3.1稳恒条件：1、电流密度；2、电流连续方程；3、稳恒条件。3.2欧姆定律：1、欧姆定律及微分形式；2、焦耳定律及微分形式；3、欧姆定律、焦耳定律的经典电子论解释；4、欧姆定律的失效问题。3.3电源及电动势：1、电源及其电动势；2、常见的几种电源；3路端电压、电动势和全电路欧姆定律；4稳恒电路的特点3.4基尔霍夫定律：1、节点、支路和回路；2、基尔霍夫定律:支路电流法;回路电流法;3、基尔霍夫定律应用：电流方向标定、正负号约定、方程的独立性；4、举例：平衡电桥、星形接法与三角形接法转换及应用。第四章真空中的静磁场（10）4.1磁现象及磁场:1、磁的基本现象与磁的库仑定律；2奥斯特实验——电流磁效应；3、安培分子电流假设。4.2安培定律：1、四个示零实验；2、安培定律；3、安培力及其应用。4.3毕奥－萨伐尔定律：1、磁感应强度；2、毕奥一萨伐尔定律3、毕奥一萨伐尔定律应用：专题讨论：直电流、圆电流、长直螺旋管，举例。4.4静磁场的基本定理：1、磁场的高斯定理；2、安培环路定理；3、磁场的几何描述；4、两条定理与毕奥一萨伐尔定律的关系；5安培环路定理的应用：专题讨论：无限长载流圆柱面、环形螺旋管、无限大平面，举例。4.5磁场对电流的作用：1、磁场对载流导体的力；2、“安培”基本单位定义；3、载流线圈在磁场中所受的力矩；4、计算举例。44.6带电粒子在磁场中的运动：1、运动特征：洛仑兹力、带电粒子在均匀磁场中、在非均匀磁场中；2、应用举例：回旋加速器、质谱仪、磁聚焦、核聚变、电子同步加速器与同步辐射（针对不同专业有所侧重介绍）；3、宏观效应：安培力、霍尔效应。第五章静磁场中的磁介质（6）5.1磁介质及其磁化强度M:1、磁介质的磁化；2、磁化强度；3、磁化电流；4、磁化强度与磁化电流的关系:nMi、IldML;5、举例:磁棒的磁化、中子星的磁化电流。5.2磁介质中静磁场的基本定理：1、安培环路定理；2、高斯定理；3、举例。5.3介质的磁化规律：1、介质按磁化规律的分类2、介质磁化的微观机制3、无限均匀线性各向同性介质中的静磁场：以同轴电缆为例，分别计算B、H、M、i。5.4边值关系：1、磁场在磁介质界面上的边值关系、磁感应线的折射、磁屏蔽；2、分区均匀线性各向同性介质中的静磁场。5.5磁路定理及其应用：1、磁路定理的基本方程；2、磁路定理的应用。第六章电磁感应（12）6.1电磁感应定律:1、电磁感应现象：发现、规律、楞次定律；2法拉第电磁感应定律：说明：积分形式、感应电流与感应电量。3、感应电动势的计算：感应电动势方向的判断；4、块状导体中的电磁感应现象5、电磁感应定律和磁场的高斯定理。6.2动生电动势和感生电动势1动生电动势：洛仑兹力产生动生电动势、洛仑兹力的转换功能、交流电动机、动生电动势的计算；2感生电动势：麦克斯韦的涡旋电场的假设、积分表达式、涡旋电场物理本质；3、电子感应加速器；4、两种电动势引出的问题。6.3互感与自感：1、自感现象和自感系数：定义、单位、计算；2、互感现象和互感系数：定义、单位、计算；3同名端与异名端、两线圈的串联和并联。6.4似稳电路和暂态过程：1、似稳条件；2、似稳电路方程：电源区、电阻区、电容区、电感区；3、多回路电路的基尔霍夫定律；4、暂态过程：R－L电路、R－C电路、R－L－C电路。56.5载流线圈系统的磁能:1、自感磁能：一个载流线圈的磁能；2、互感磁能：一对线圈的互感磁能；3、总磁能：一对线圈系统、推广到n个线圈系统。6.6载流线圈在外磁场中的磁能:1、N个线圈处在外场rB中,其磁能为SdBIWskrNikm1;2、外场均匀时,BmWtm.6.7磁场的能量和磁能密度：1、螺绕环的磁能；2、磁能密度；3、总磁能：dVHBWvm21、举例。第七章交流电（6）7.1基本概念和描述方法：1、基本概念:似稳判据式；2、描述方法：函数描述（频率、峰值、相位）、矢量描述（旋转矢量、矢量合成）、复数描述。7.2交流电路的矢量解法：1、交流电路元件的矢量描述；2、电路方程的矢量形式；7.3交流电路的复数解法：1、交流电路的基本方程；2、欧姆定律、基尔霍夫定律的复数形式；3交流电路元件的复阻抗。4、串联谐振电路（矢量描述、复数描述、特征、共振、品质因素）。5、并联谐振电路（复数描述、计算）。7.4交流电的功率：1、瞬时功率；2、平均功率；3、视在功率和功率因素；4、由电压和电流复数有效值计算平均功率；5举例。7.5交流电路分析举例：变压器电路：变流比、变压比、理想变压器。第八章麦克斯韦电磁理论（4）8.1麦克斯韦方程组：1、位移电流：安培环路定律的困难、位移电流的假、全电流定律、计算B；；3、麦克斯韦方程组；4、边值关系。8.2平面电磁波：1、电磁波的产生机制；2、平面电磁波的性质；3、赫兹实验；4、电磁波谱；5、电磁辐射与人体健康。8.3电磁场的能量、动量和角动量：1、电磁场的能量、动量和角动量；2、平面电磁波的能量和动量；3光压。注：对非物理专业电磁学课程全学期共安排72课时，其中机动6课时，包括节假日停课，专题讲座、习题课及小论文竞赛，可根据专业特点作适当调整，6对信息、计算机、工程等学科在理论上可适当深些；对化学、生命科学、数学等专业在应用上适当强化。