《电磁学及实验》课程(07106)教学大纲

一、课程基本信息

课程中文名称: 电磁学及实验

课程代码：07106

学分与学时：5学分、104学时（其中理论课4学分、80学时；实验课1学分、24学时）

课程性质：专业必修课

授课对象：物理学专业

二、课程教学目标与任务

使学生掌握电磁相互作用的基本规律。能全面地认识和理解电磁运动的基本现象和基本概念，系统地掌握电磁运动的基本规律，具有一定的分析和解决电磁学问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。通过对电磁学发展史上某些重大发现和发明的介绍，使学生了解物理学思想和实验方法，得到一定的科学素质教育，使学生获得科学方法论上的教益. 具体要求：

1.掌握电场、磁场的基本概念和基本规律，掌握研究场的基本方法，会运用这些知识分析、计算电磁场的有关问题。

2.理解电磁场与物质间相互作用、相互影响的基本规律及基本运算方法。

3.掌握电路、磁路的规律、运算和应用。

4.掌握电磁感应和暂态过程现象、规律和应用。

三、学时安排

课程内容与学时分配表

四、课程教学内容与基本要求

第一章 静电场的基本规律

教学目的：通过本章学习，使学生理解电荷的相互作用、电荷激发静电场的规律及静电场的性质。

基本要求：掌握电场强度的三种计算方法和电势的两种计算方法。

重点与难点：

重点：电场强度矢量和电势两个概念，静电场的两个方程。

难点：梯度的概念和对电场对称性的分析。

教学方法：讲授法

主要内容：

第一节 电荷

第二节 库仑定律

一、库仑定律及其矢量形式

二、静电力的叠加原理

第三节 电场强度

一、电场强度

二、电场强度的计算

第四节 高斯定理

一、电通量

二、高斯定理

三、应用高斯定理计算场强

第五节 电场线

第六节 电势

一、静电场的环路定理

二、电势 电势差

三、电势的计算

四、等势面及其性质

五、电势和场强的微分关系

第二章 有导体时的静电场

教学目的：使学生理解导体上的电荷在外电场中重新分布和导体上重新分布的电荷对电场的作用。

基本要求：掌握静电平衡时导体的性质及电容的计算方法。

重点与难点：

重点：静电平衡、导体的电容、静电场能三个概念和静电平衡时导体的性质及电容的计算方法。

难点：封闭导体内外场强的分布

教学方法：讲授法

主要内容：

第一节 静电场中的导体

一、静电平衡

二、带电导体所受的静电力

三、孤立导体形状对电荷分布的影响

四、导体静电平衡问题的讨论方法

第二节 封闭金属壳内外的静电场

一、壳内空间的场

二、壳外空间的场

三、静电加速器

第三节 电容器及电容

一、孤立导体的电容

二、电容器及电容

三、电容器的联接

第四节 带电体系的静电能

一、带电体系的静电能

二、带电导体组的静电能

三、电容器的静电能

四、关于自能和互能的进一步说明

第三章 静电场中的电介质

教学目的：理解介质在电场中的极化,极化电介质反过来影响电场的相互依存关系。

基本要求：掌握介质极化的基本规律。

重点与难点：

重点：有介质时的高斯定理、介质中的静电场方程。

难点：电位移矢量

教学方法：讲授法

主要内容：

第一节偶极子

一、偶极子在外电场中所受的力矩

二、偶极子激发的静电场

第二节电介质的极化

一、位移极化和取向极化

二、极化强度

三、极化强度和场强的关系

第三节 极化电荷

一、极化电荷

二、极化电荷体密度与极化强度的关系

三、极化电荷面密度与极化强度的关系

第四节 有电介质时的高斯定理

一、电位移 有介质时的高斯定理

二、对电位移的进一步讨论

第五节 有电介质时的静电场方程

一、静电场方程

二、边值关系

三、电位移线的折射

第六节 电场的能量

第四章 稳恒电流

教学目的：学习并理解导体导电的一般规律及电路计算两部分内容。

基本要求：掌握导体导电的一般规律及基尔霍夫定律的应用。

重点与难点：

重点:电流密度、电动势的概念,电流的连续性方程和欧姆定律.

难点:电动势概念

教学方法：课堂讲授

主要内容：

第一节 恒定电流

第二节 直流电路

第三节 欧姆定律和焦耳定律

一、欧姆定律 电阻

二、电阻率

三、欧姆定律的微分式

四、焦耳定律

第五节 电源和电动势

一、非静电力

二、电动势 一段含源电路的欧姆定律

三、电动势的测量 电位差计

四、导线表面的电荷分布

五、直流电路的能量转换

第六节 基尔霍夫方程组

一、基尔霍夫第一方程组

二、基尔霍夫第二方程组

三、用基尔霍夫方程组解题举例

第五章 稳恒电流的磁场

教学目的：通过本章学习，使学生理解电流激发磁场和磁场对电流及运动电荷的作用。

基本要求：掌握电流激发磁场的一般规律。

重点与难点：

重点:磁场的计算 安培环路定理

难点:磁感应强度的概念及环路定理的物理意义

教学方法：课堂讲授

主要内容：

第一节 基本磁现象

第二节 毕奥-沙伐尔定律安培定律

一、毕奥-萨伐尔定律

二、直长载流导线的磁场

三、圆形载流导线的磁场

四、载流螺线管轴线上的磁场

第三节 磁场的高斯定理

第四节 安培环路定理

一、安培环路定理

二、无限长圆柱形均匀载流导体的磁场

三、无限长载流螺线管的磁场

四、载流螺绕环的磁场

五、均匀载流无限大平面的磁场

第五节 带电粒子在电磁场中的运动

一、带电粒子在均匀恒定磁场中的运动

二、磁聚焦

三、回旋加速器

四、汤姆逊实验-电子荷质比的测定

五、霍尔效应

第六节 磁场对载流导线的作用

一、安培力公式

二、载流线圈在均匀外磁场中的安培力矩

三、磁电式电流计原理

第六章 电磁感应和暂态过程

教学目的：通过本章学习，使学生理解电磁感应现象、规律及其应用。

基本要求：熟练掌握电磁感应中的两条基本实验定律—法拉第电磁感应定律和楞次定律。

重点与难点：

重点:磁场的计算及安培环路定理

难点:磁感应强度的概念及环路定理的物理意义

教学方法：课堂讲授

主要内容：

第一节 电磁感应现象

一、电磁感应现象

二、法拉第电磁感应定律

第二节 愣次定律

一、楞次定律的两种表述

二、考虑了楞次定律的法拉第定律的表达式

第三节 动生电动势

一、动生电动势与洛伦兹力

二、动生电动势的计算

三、交流发电机

第四节 感生电动势和感生电场

一、感生电动势和感生电场

二、电磁场中的洛伦兹力公式

三、感生电场的性质

四、螺线管磁场变化引起的感生电场

五、电子感应加速器

第五节 自感

第六节 互感

第七节 涡电流

一、涡流热效应的应用和危害

二、涡流磁效应的应用-电磁阻尼

三、趋肤效应

第八节 RL电路的暂态过程

第九节 RC电路的暂态过程

第十节 RLC电路的暂态过程

第十一节 磁能

一、自感线圈的磁能

二、互感线圈的磁能

第七章 磁介质

教学目的：通过本章学习，使学生理解磁场对介质作用及磁化的介质对磁场的影响。

基本要求：掌握介质中的高斯定理和安培环路定理。

重点与难点：

重点:磁介质存在时静磁场的基本规律，铁磁性与铁磁质.

难点: 磁滞概念

教学方法：课堂讲授

主要内容：

第一节 磁介质存在时静磁场的基本规律

一、磁介质的磁化 磁化强度

二、磁化电流

三、磁场强度 有磁介质时的环路定理

四、静磁场与静电场方程的对比

第二节顺磁性与抗磁性

一、顺磁性

二、抗磁性

第三节 铁磁性与铁磁质

一、铁磁质的磁化性能

二、铁磁质的分类和应用

三、铁磁性的起因

第四节 磁路及其计算

一、磁路

二、磁路定律及磁路计算

三、铁磁屏蔽

第八章 电磁场和电磁波

教学目的：通过本章学习，理解电磁场理论及电磁场的物质性。

基本要求：理解并掌握麦克斯韦方程组，理解位移电流的概念，掌握平面电磁波的特点。

重点与难点：

重点:麦克斯韦方程；平面电磁波的产生与性质.

难点:位移电流及能流密度

教学方法：课堂讲授

主要内容：

第一节 位移电流与麦克斯韦方程组

第二节 平面电磁波

第三节 电磁场的能量密度和能流密度

五、课程教学方式与考核方式

1.教学方式:以课堂讲授为主，辅以实践教学、课后作业、小论文等.

2.考核方式:闭卷考试

六、参考教材及教学参考资料

参考教材：

梁灿彬 秦光戎 梁竹健编《电磁学》（第二版） 高等教育出版社2004年5月

参考资料：

[1] 赵凯华、陈熙谋《新概念物理教程－电磁学》高等教育出版 2003年

[2] 张三慧《电磁学》 清华大学出版社 1999年

[3] 陈秉乾、舒幼生《电磁学专题研究》高等教育出版社 2001年

[4] 陈秉乾、王稼军.《电磁学》北京大学出版社 2001年

[5] 马文蔚《物理学》（电磁学部分） 高等教育出版社2000年

[6] R.P.Feynman《费曼物理学讲义》第二卷 上海科学出版社 2005年

七、实验教学内容与要求

（一）实验教学目的与基本要求

该课程是电磁学理论课的重要实践环节。本科程的主要目的是：使学生掌握电磁学实验的基本知识和基本方法，在实验的基本技能方面进一步接受系统的训练，同时加深对电磁学理论基本概念的理解和掌握；学生应达到以下要求：

1. 掌握电磁学中基本物理量的测量方法；

2. 掌握运用电磁学仪器的原理、性能和使用方法；

3. 能熟练的连接实验电路、并具备一定的分析电路和排除电路故障的能力；

4. 学会处理实验数据，分析实验结果，独立完成实验报告

5. 养成良好的实验习惯和严谨的科学作风，实事求是的科学态度。

（二）实验内容与基本要求

1.实验项目一览

2.实验内容及要求

实验一 静电场的描绘

一、 实验目的和要求：

了解模拟法适用的条件,学习用电流场模拟静电场的原理和方法,从而加深对静电场性质的理解。

二、 仪器设备：

直流稳压电源、检流计、电压等分器、导电纸、电极探针(或静电场等位仪)

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要：

1.测量和描绘同轴电缆中的等位线。

2.测量两根平行的无限长直导线间的等位线。

六、注意事项与安全要求

实验二 伏安法测电阻

一、实验目的和要求：

1.掌握用伏安法测电阻的方法。

2.正确使用伏特计、安培计,了解电表接入误差。

3.了解二极管的伏安特性。

二、 仪器设备：

直流电源、滑线电阻器、伏特表、万用表(或毫安表、微安表)、待测二极管、待测电阻

三、 实验材料

四、教学方法：讲解演示

五、实验内容提要：

1.用伏安法测量不同阻值的电阻,分析电表的接入误差。

2.测量半导体二极管的伏安特性,并画出伏安特性曲线。

六、注意事项与安全要求

实验三 用惠斯登电桥测电阻

一、 实验目的和要求：

1.学握用惠斯登电桥测电阻的原理。

2.学会用电桥测电阻的方法。

3.学会测量电桥灵敏度的方法,并了解提高电桥灵敏度的途径。

二、仪器设备：

滑线式电桥 (或电阻箱两只)、箱式电桥、直流电源、滑线电阻器、电阻箱、检流计、待测电阻。

三、实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要：

1.用滑线式电桥或用电阻箱组装电桥,测量电阻并测量电桥的灵敏度。

2.用箱式电桥测量电阻和电桥的灵敏度

六、注意事项与安全要求

实验四 用开耳芬电桥测量低电阻

一、 实验目的和要求：

1.掌握用双电桥测低电阻的原理。

2.学会用双电桥测低电阻的方法。

二、仪器设备：

开耳芬电桥、直流电源、滑线电阻器、检流计、螺旋测微计、毫米尺、待测金属棒

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要

1.用双电桥测定几种金属棒的电阻。

2.用螺旋测微计和毫米尺测量金属棒的直径和长度,求出金属棒的电阻率。

六、注意事项与安全要求

实验五 用电位差计测量电池的电动势和内阻

一、实验目的和要求：掌握用补偿法测电动势的原理。

二、仪器设备：

板式电位差计(或学生型电位差计)、直流稳压电源、标准电池、检流计、电阻箱、滑线电阻器、待测干电池

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要

测量干电池的电动势和内阻。

六、 注意事项与安全要求

实验六 灵敏电流计特性的研究

一、实验目的和要求：

1.了解灵敏电流计的基本结构和工作原理。

2.掌握测量灵敏电流计内阻和灵敏度的方法。

3.学会正确使用灵敏电流计。

二、 仪器设备：

灵敏电流计、直流电源、滑线电阻器、电阻箱、标准电阻、直流电压表

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要

1.观察灵敏电流计线圈的三种运动状态。

2.测定灵敏电流计的内阻和灵敏度。

六、注意事项与安全要求

实验七 电表改装

一、实验目的和要求：

1.了解磁电式电表的基本结构。

2.掌握电表扩大量程的方法。

3.掌握电表的校准方法。

二、仪器设备：

电源表头(微安表或毫安表)、电阻器(电阻丝)、标准电表、电阻箱、滑线变阻器

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要

1.测量待改装表头的灵敏度和内阻。

2.将表头改装为安培计、伏特计。

3.校准改装后的电表,并定出级别。

六、注意事项与安全要求

实验八 磁场的描绘

一、 实验目的和要求：

1.了解感应法测量磁场的原理。

2.研究圆电流轴向磁场的分布。

3.描绘亥姆霍兹线圈中的磁场均匀区。

二、 仪器设备：

亥姆霍兹线圈、感应试探线圈、交流电源、晶体管毫伏表

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要

1.测量载流圆电流轴向磁场的分布。

2.用感应法描绘亥姆霍兹线圈中的磁场均匀区。

六、注意事项与安全要求

实验九 示波器的使用

一、 实验目的和要求：

1.了解通用示波器的结构和工作原理,掌握各个旋钮的作用和使用方法。

2.学会音频信号发生器的使用方法。

3.学会用示波器观察波形以及测量电压、频率和位相差。

二、 仪器设备

通用示波器、各种波形发生器、音频信号发生器、二极管、滑线电阻器、电阻箱、晶体管毫伏表

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要：

1.用示波器观察各种波形。

2.用利萨如图形法测频率和位相差。

3.测示波器Y轴的电压灵敏度。

4.用示波器测一信号电压。

六、注意事项与安全要求

实验十 电子束线的偏转和聚焦

一、 实验目的和要求：

1.研究带电粒子在电场和磁场中偏转的规律.

2.了解电子束线管的结构和原理。

3.研究带电粒子在电场和磁场中聚焦的规律。

二、 仪器设备：

电子束测试仪、电源

三、 实验材料：

四、 教学方法：讲解演示

五、 实验内容提要：

1.电偏转研究：偏转电压、加速电压和偏转距离三者之间的关系。

2.磁偏转研究：偏转磁场、加速电压和偏转距离三者之间的关系。

3.研究正向电聚焦的规律。

4.研究磁场聚焦的规律并测定电子荷质比

六、注意事项与安全要求

（三）实验教材

杨述武 《普通物理学实验》（二册）高等教育出版社，2000年；

吴泳华《大学物理实验》（电磁学部分） 高等教育出版社，2001年；

（四）考核方式：

实验预习报告10%、实验报告20%、理论考试（闭卷）30%、操作考试40%。