物理与电子科学学院电磁学教案20181
1 物理与电子科学学院 电磁学 教 案 2018
总计：90学时5学分课程名称电磁学学时讲课：90学时实验：类别必修课（）选修课（理论课（）实验课（学时上机：徐媛职称教授任课教师授课对象物理学专业2017级教材名称：梁绍荣、刘昌年主编《普通物理学第三分册电磁学》第二版者按教材高等教育出版社出版；参考资料参考书：1、赵凯华、陈熙谋主编《电磁学》1985年6月第二版高等教育出版社出版2、贾起民郑永令F电磁学2001年1月第二版高等教育出版社出版陈暨耀3、普通物理学教程电磁学梁灿彬秦光梁竹健原著高等教育出版社出版教学方法教学方法：讲授法、讨论法、自学法；教学手段教学手段：多媒体本课程考核方式采用百分制，以期末考试为主占50%，考核方式结合平时和期中考试成绩占有50%评定电磁学研究的对象是电磁现象的基本规律，它与生产技术的关系十分密切，是高等师范院校物理教育专业本科生必修的一门重要的专业基础课程，并涉及到较多的后继课程。通过本课程的教学，目的是使学生比较全面地认识电磁运动的学生创新基本现象，系统地掌握电磁运动的基本要领和基本规律，了解电磁学发展史上某精神与实些重大的发展和发明过程中的物理思想和实验方法，具有一定的分析和解决电磁践能力的学问题的能力，从知识上和方法上为学习后继课程奠定必要的基础。电磁学课的培养方法任务是：通过本课程的教学，使学生对电磁学所研究的各种电磁运动形式及其相互联系，有比较全面和系统的认识，能正确理解和掌握电磁学的基本理论和基本知识，具备独立地分析和解决一般的电磁学问题的能力。由于电磁学的研究对象与人们的生产、生活关系十分密切，它的基本理论渗透到，自然科学的许多领域，应用于工程技术的各个部门，是自然科学的许多领域和工程技术的基础，所以通过电磁学的教学要让学生意识到学好电磁学的必要性和重要性。该门课程是继力学、热学课程之后在大学生二年级上学期开设，后续几门课其它要求程要在学习电磁学课后才能开设，所以通过该门课程的学习，使学生树立正确的学习态度、掌握科学的学习方法、培养自学能力，适应包括电磁学在内的系列相关课程的学习规律有着重要的作用。学好电磁学，不仅对学生在校学习十分重要而且对学生毕业后从事物理教学工作或其它行业工作，进一步学习新理论、新技术，不断更新知识、开阔思路、激发探索和创新精神、增强适应能力，提高人才素质起作深远的影响
2 课程名称 电磁学 学 分 5 总计：90 学时 讲课：90 学时 实验： 学时 上机： 学时 类别 必修课（ √ ） 选修课（ ） 理论课（ √ ） 实验课（ ） 任课教师 徐 媛 职称 教授 授课对象 物理学专业 2017 级 教 材 参考资料 教材名称： 梁绍荣、刘昌年主编 者按 《普通物理学 第三分册 电磁学》第二版 高等教育出版社出版； 参考书： 1、赵凯华、陈熙谋主编 《电磁学》１９８５年６月 第二版 高等教育出版社出版 2、贾起民 郑永令 陈暨耀 电磁学 2001 年 1 月第二版 高等教育出版社出版 3、普通物理学教程 电磁学 梁灿彬 秦光戎 梁竹健 原著高等教育出版社出版 教学方法 教学手段 教学方法：讲授法、讨论法、自学法； 教学手段：多媒体 考核方式 本课程考核方式采用百分制，以期末考试为主占 50%， 结合平时和期中考试成绩占有 50%评定 学生创新 精神与实 践能力的 培养方法 电磁学研究的对象是电磁现象的基本规律，它与生产技术的关系十分密切， 是高等师范院校物理教育专业本科生必修的一门重要的专业基础课程，并涉及到 较多的后继课程。通过本课程的教学，目的是使学生比较全面地认识电磁运动的 基本现象，系统地掌握电磁运动的基本要领和基本规律，了解电磁学发展史上某 些重大的发展和发明过程中的物理思想和实验方法，具有一定的分析和解决电磁 学问题的能力，从知识上和方法上为学习后继课程奠定必要的基础。电磁学课的 任务是：通过本课程的教学，使学生对电磁学所研究的各种电磁运动形式及其相 互联系，有比较全面和系统的认识，能正确理解和掌握电磁学的基本理论和基本 知识，具备独立地分析和解决一般的电磁学问题的能力。 其它要求 由于电磁学的研究对象与人们的生产、生活关系十分密切，它的基本理论渗 透到了自然科学的许多领域，应用于工程技术的各个部门，是自然科学的许多领 域和工程技术的基础，所以通过电磁学的教学要让学生意识到学好电磁学的必要 性和重要性。 该门课程是继力学、热学课程之后在大学生二年级上学期开设，后续几门课 程要在学习电磁学课后才能开设，所以通过该门课程的学习，使学生树立正确的 学习态度、掌握科学的学习方法、培养自学能力，适应包括电磁学在内的系列相 关课程的学习规律有着重要的作用。 学好电磁学，不仅对学生在校学习十分重要而且对学生毕业后从事物理教学 工作或其它行业工作，进一步学习新理论、新技术，不断更新知识、开阔思路、 激发探索和创新精神、增强适应能力，提高人才素质起作深远的影响
教案 (首页)电磁学课程教案第授课时间1周J星期一第3、4节授课题目（章、节）：绪论教学基本要求：了解电磁学的研究内容和电磁学的学习方法教学方案：一．电磁学课程简介二、电磁学的研究对象三。电磁学的研究方法1、关于研究场的数学方法关于电磁学中的物理量2、3、电磁学学习中常用的解题思想作业和思考题：13
3 教 案（首页） 电磁学 课程教案 授课时间 第 1 周 星期一 第 3、4 节 授课题目（章、节）： 绪论 教学基本要求： 了解电磁学的研究内容和电磁学的学习方法 教学方案： 一．电磁学课程简介 二、电磁学的研究对象 三．电磁学的研究方法 1、关于研究场的数学方法 2、关于电磁学中的物理量 3、电磁学学习中常用的解题思想 作业和思考题： 1-3
电磁学课程教案授课时间第1周星期三第3、4节授课题目（章、节）：$1-2库仑定律$1-1电荷教学基本要求：1.了解电荷的基本特征，理解电荷守恒定律2.理解和掌握库公定律及其计算教学方案：S1-1电荷一、电荷1、摩擦起电丝绸摩擦过的玻璃棒，或毛皮摩擦过的硬橡胶棒能吸引羽毛、头发、干草等轻小物体。物体由于摩擦有了吸引轻小物体的性质，它就带了电，有了电荷，这种带电叫摩擦起电。2、两种电荷实验表明，无论用何种方法起电，自然界中只存在两类电荷：正电和负电，且同性电荷相斥、异性电荷相吸引。历史上，富兰克林最早对电荷正负作了规定，沿用至今：丝绸摩擦过的玻璃棒，棒上带电为正；毛皮摩擦过的硬橡胶棒，棒上带电为负。二、电荷的基本特征1、通过演示：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引2、介绍物质的电结构理论，得出电荷量量子化3、与质量比较，得出电荷是相对性不变量三、电荷守恒定律1、物体带电的实质2、内容S1-2库仑定律一、库仑定律1、内容真空中两个点电荷91、92之间的相互作用力，其大小与两者电量成正比、与它们之间的距离平方成反比，方向沿两电荷连线，且同性相斥、异性相吸。9对q2作用力的数学表达形式为：4
4 电磁学 课程教案 授课时间 第 1 周 星期三 第 3、4 节 授课题目（章、节）： §1-1 电荷 §1-2 库仑定律 教学基本要求： 1．了解电荷的基本特征，理解电荷守恒定律 2．理解和掌握库公定律及其计算 教学方案： §1-1 电荷 一、电荷 1、 摩擦起电 丝绸摩擦过的玻璃棒，或毛皮摩擦过的硬橡胶棒能吸引羽毛、头发、干草等轻小物体。物体由 于摩擦有了吸引轻小物体的性质，它就带了电，有了电荷，这种带电叫摩擦起电。 2、 两种电荷 实验表明，无论用何种方法起电，自然界中只存在两类电荷：正电和负电，且同性电荷相斥、 异性电荷相吸引。历史上，富兰克林最早对电荷正负作了规定，沿用至今：丝绸摩擦过的玻璃棒， 棒上带电为正；毛皮摩擦过的硬橡胶棒，棒上带电为负。 二、电荷的基本特征 1、通过演示：同种电荷互相排斥，异种电荷互相吸引 2、介绍物质的电结构理论，得出电荷量量子化 3、与质量比较，得出电荷是相对性不变量 三、电荷守恒定律 1、物体带电的实质 2、内容 §1-2 库仑定律 一、库仑定律 1、内容 真空中两个点电荷 1 2 q 、q 之间的相互作用力，其大小与两者电量成正比、与它们之间的距离 平方成反比，方向沿两电荷连线，且同性相斥、异性相吸。 1 q 对 q2 作用力的数学表达形式为：
Fiz=h9q2rr12ri21qi921F4元8。2、对库仑定律的理解（1）真空、点电荷间作用力。(2）静止电荷。库仑定律中的Q1、92相对观察者（或实验室）都处于静止状态。可推广之：静止电荷对运动电荷的作用力仍满足库仑定律，反之不然。(3）库仑力为有心力，且与距离平方r2成反比。此双层信息包含更深层次的含义：【距离平方反比→高斯定理→有源场；【有心力→做功与路径无关→存在势函数→有势场。(4）库仑定律的适用范围。r大至10°m、小至10-15m的量级是可靠的。静电力是万有引力的1035倍量级。(5）库仑力满足牛顿第三定律。即Fi,=-F21 二、静电力的叠加原理两点电荷之间的作用力不因为第三个电荷的存在而改变，不管一个体系中存在多少个点电荷，每一对电荷之间的作用力都服从库仑定律，而任一点电荷所受的合力则等于所有其它点电荷单独作用于该电荷的库仑力之矢量和。1、电荷分立分布设体系有N个点电荷，第j个点电荷所受合力为=2元=2元5-1(=)4元60i(i+)例如：边长为a的正方形顶点置四个等量异号的点电荷，如图1-5所示，求任一点电荷g所受的合力。经分析可知，9所受合力为图示中三力之矢量和
5 2 12 12 1 2 12 r r q q F k ∧ = r r q q F ˆ 4 1 2 1 2 πε 0 = 2、对库仑定律的理解 (1) 真空、点电荷间作用力。 (2) 静止电荷。 库仑定律中的 q1 、q2 相对观察者（或实验室）都处于静止状态。可推广之：静止电荷对运动电荷 的作用力仍满足库仑定律，反之不然。 (3) 库仑力为有心力，且与距离平方 2 r 成反比。 此双层信息包含更深层次的含义： → → → → → 有心力 做功与路径无关 存在势函数 有势场。 距离平方反比 高斯定理 有源场； (4) 库仑定律的适用范围。 r m7 大至10 、小至 m15 10− 的量级是可靠的。静电力是万有引力的 35 10 倍量级。 (5) 库仑力满足牛顿第三定律。 即 F12 F21 = − 。 二、静电力的叠加原理 两点电荷之间的作用力不因为第三个电荷的存在而改变，不管一个体系中存 在多少个点电荷，每一对电荷之间的作用力都服从库仑定律，而任一点电荷所受的合力则等于所有 其它点电荷单独作用于该电荷的库仑力之矢量和。 1、 电荷分立分布 设体系有 N 个点电荷，第 j 个点电荷所受合力为 ij ij i j i i j ij i i j j r r q q f f ˆ 4 1 2 ( ) ( ) πε 0 Σ Σ ≠ ≠ = = 例如：边长为a 的正方形顶点置四个等量异号的点电荷，如图 1-5 所示，求任一点电荷q 所受 的合力。 经分析可知，q 所受合力为图示中三力之矢量和
-9dq"qoPOAq-0图1-5图1-62、电荷连续分布推广至真空中连续体电荷分布对q之作用力，有rdgq0f-4元作业和思考题：1.2.21.2.36
6 图 1-5 图 1-6 2、 电荷连续分布 推广至真空中连续体电荷分布对 q0 之作用力，有 r r q dq f ˆ 4 2 0 0 = ∫ πε 作业和思考题： 1.2.2 1.2.3 -q q a a -q q dq r q0 r
电磁学课程教案授课时间第2周星期一第3、4节授课题目（章、节)：S1-3电场和电场强度教学基本要求：1.．理解电场强度的定义2.掌握电场强度的计算教学方案：s1-1电荷一、电场库仑定律给出了两点电荷之间的相互作用力，但并未说明作用的传递途径，下面给予分析。1、两种观点(1）超距作用观点：一个点电荷对另一电荷的作用无需经中间物体传递，而是超越空间直接地、瞬时地发生，即：电荷电荷。(2）近距作用观点：一个电荷对另一电荷的作用是通过空间某种中间物为媒介，以一定的有限速度传递过去。近代物理学的发展证明，近距作用观点是正确的，这个传递电力的中间媒介不是“以太”，而是靠电场以有限速度传递（磁力通过磁场），这个有限速度在真空中即光速：c=3×10°m/s2、场的概念在力学中已学过万有引力场、重力场、弹性力场等，这里谈电场。凡是有电荷的地方，围绕电荷周围空间即存在电场，即电荷在其周围空间激发电场，且电场对处在其中的其它电荷施加力的作用。该作用仅由该电荷所在处的电场决定，与其它地方的电场无关，表明电力作用方式：电荷——电场—电荷[说明]（1）场与实物一样具有能量、动量等，可以脱离场源而单独存在，即电磁场是物质的一种形态。(2）静止电荷产生的电场为静电场，电磁场的物质性、近距作用观点的正确二、电场强度运用电场的重要性质一一对置于其中的电荷施力作用来定义场强，且用该电荷作为研究和检测7
7 电磁学 课程教案 授课时间 第 2 周 星期一 第 3、4 节 授课题目（章、节）： §1-3 电场和电场强度 教学基本要求： 1．理解电场强度的定义 2．掌握电场强度的计算 教学方案： §1-1 电荷 一、电场 库仑定律给出了两点电荷之间的相互作用力，但并未说明作用的传递途径，下面给予分析。 1、两种观点 (1) 超距作用观点：一个点电荷对另一电荷的作用无需经中间物体传递，而是超越空间直接地、 瞬时地发生，即：电荷↔电荷。 (2) 近距作用观点：一个电荷对另一电荷的作用是通过空间某种中间物为媒介，以一定的有限 速度传递过去。 近代物理学的发展证明，近距作用观点是正确的，这个传递电力的中间媒介 不是“以太”，而是靠电场以有限速度传递（磁力通过磁场），这个有限速度在真空中即光 速： 。 2、场的概念 在力学中已学过万有引力场、重力场、弹性力场等，这里谈电场。 凡是有电荷的地方，围绕电荷周围空间即存在电场，即电荷在其周围空间激发电场，且电场对处在 其中的其它电荷施加力的作用。该作用仅由该电荷所在处的电场决定，与其它地方的电场无关，表 明电力作用方式： 电荷——电场——电荷 [说明] (1) 场与实物一样具有能量、动量等，可以脱离场源而单独存在，即电磁场是物质的一种形态。 (2) 静止电荷产生的电场为静电场，电磁场的物质性、近距作用观点的正确 二、电场强度 运用电场的重要性质——对置于其中的电荷施力作用来定义场强，且用该电荷作为研究和检测 c m s 8 = 3×10
电场的工具，此电荷称为试探电荷，而激发电场的电荷称为场源电荷。1、试探电荷满足条件：（1）电荷9o的电量应足够小，以致对场源电荷影响小；(②）电荷9o的尺度应尽可能小，以致精确定位于场点处。2、场强E场内任一确定点，试探电荷90所受的电力与90的大小有关，即电力由电场与试探电荷10双方共同决定，反映了两方面因素，用此力描述场不能确切地反映场本身的属性。据库仑定律，此电力F与%0成正比，说明与90无关，仅由电场单方面属性决定。E-F定义电场强度E为qo(1）E的大小：等于单位电量（q。=1℃）试探电荷在该点所受的电场力；(2）E的方向：同于正电荷在该处所受电力的方向。3、讨论（1）场强是矢量物理量。既有大小，又有方向，且是空间位置矢量的点函数，形成一个空间场分布，即电场E构成空间矢量场：E = E(x,y,2)(3）场强定义式的变形F=qoE电磁学课程教案8
8 电场的工具，此电荷称为试探电荷，而激发电场的电荷称为场源电荷。 1、试探电荷 满足条件：(1) 电荷q0 的电量应足够小，以致对场源电荷影响小； (2) 电荷q0 的尺度应尽可能小，以致精确定位于场点处。 2、场强 E 场内任一确定点，试探电荷 q0 所受的电力与q0 的大小有关，即电力由电场与试探电荷q0 双方 共同决定，反映了两方面因素，用此力描述场不能确切地反映场本身的属性。据库仑定律，此电力 与 q0 成正比，说明 q0 F 与q0 无关，仅由电场单方面属性决定。 定义电场强度 E 为 q0 F E = (1) E 的大小：等于单位电量（q 1 c 0 = ）试探电荷在该点所受的电场力； (2) E 的方向：同于正电荷在该处所受电力的方向。 3、讨论 (1) 场强是矢量物理量。 既有大小，又有方向，且是空间位置矢量的点函数，形成一个空间场分布，即电场 E 构成空间 矢量场： E E(x, y,z) = (3) 场强定义式的变形 F q E = 0 电磁学 课程教案
第授课时间2周星期三第3、4节授课题目（章、节）：S1-3电场和电场强度教学基本要求：1.理解电场强度的定义掌握电场强度的计算2.教学方案：S1-3电场和电场强度三、点电荷的电场强度F=0r4元。.E-E.OF904元80r2四、场强叠加原理1、叠加原理内容设n个点电荷qi、92、、q.共同在P点产生的场为E，P点置检验电荷qo，据电场力之，由场强定义式可得合电场为叠加原理：F=F+FF-5i=lFFFFE--ZE2+n=X.+2-合qoqoqq。即，一组点电荷在某点产生的合场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强之矢量和。2、点电荷系的电场若场源由点电荷系q、q2.、q,组成，设E，为第i个点电荷q，单独在空间某点P处之场，则合场为（矢量和)：1qrE=ZE,=司台r4元。3、电荷连续分布的电场当带电体不能作为点电荷处理时，就需要考察细节，即带电体的形状、大小电荷分布情况，想象把它分割成许多足够小的电荷元dg一一每一元电荷当作点电荷处理，则整体在所考察点之场为9
9 授课时间 第 2 周 星期三 第 3、4 节 授课题目（章、节）： §1-3 电场和电场强度 教学基本要求： 1．理解电场强度的定义 2．掌握电场强度的计算 教学方案： §1-3 电场和电场强度 三、点电荷的电场强度 2 0 0 2 0 0 4 ˆ ˆ 4 1 r Qr q F E r r Qq F πε πε ∴ = = = 四、场强叠加原理 1、叠加原理内容 设 n 个点电荷 n q 、q 、. 、q 1 2 共同在 P 点产生的场为 E ，P 点置检验电荷 q0 ，据电场力 叠加原理： ∑= = + + + = n i F F F Fn Fi 1 1 2 . ，由场强定义式可得合电场为 ∑= = = + + + = n i i n E q F q F q F q F E 1 0 0 2 0 1 0 . 即，一组点电荷在某点产生的合场强等于各点电荷单独存在时在该点产生的场强之矢量和。 2、点电荷系的电场 若场源由点电荷系 q 、q 、 、qn . 1 2 组成，设 Ei 为第 i 个点电荷 qi 单独在空间某点 P 处之 场，则合场为（矢量和）： ∑ ∑ = = = = n i i i i n i i r r q E E 1 2 0 1 ˆ 4 1 πε 3、电荷连续分布的电场 当带电体不能作为点电荷处理时，就需要考察细节，即带电体的形状、大小、 电荷分布情况，想象把它分割成许多足够小的电荷元 dq ——每一元电荷当作点电荷处理，则整体在 所考察点之场为
E={dE=4元注意：即使是空间点P指定，但也是变量。下面对dg及几何元的取法给予说明：（1）电荷元dg的取法电荷连续分布，引用电荷密度描述（均以体分布为基础）Ag dq(a)体分布：p=lim.. dq=p dvAq_ dq(b)面分布：α=lim.dq=o ds0AsdsAq _ dq(c)线分布：=lim..dg=adldl实用特例：如图1-9中常见带电体dg的取法：(a)带电直线：dg=dz。(b)带电圆环：dg=Rdo。(c)带电圆盘或面：dg=αrdedr对于均匀带电或α=α(r)分布，可取圆环带上带电dg=α2mrdr。dq=Rd0-2iZdq=入dzZX0环带dg=2πr四、场强计算举例10
10 r r dq E dE V v ˆ 4 1 2 0 ∫ ∫ = = πε 注意：即使是空间点 P 指定，但r 也是变量。 下面对dq 及几何元的取法给予说明： (1) 电荷元dq 的取法 电荷连续分布，引用电荷密度描述（均以体分布为基础）： = ∴ = ∆ ∆ = = ∴ = ∆ ∆ = = ∴ = ∆ ∆ = ∆ → ∆ → ∆ → dq dl dl dq l q c dq ds ds dq s q b dq dV dV dq V q a l s V λ λ σ σ ρ ρ 线分布： ， 面分布： ， 体分布： ， 0 0 0 ( ) lim ( ) lim ( ) lim 实用特例：如图 1-9 中常见带电体dq 的取法： (a) 带电直线：dq = λ dz 。 (b) 带电圆环：dq = λ Rdθ 。 (c) 带电圆盘或面：dq = σ rdθ dr 对于均匀带电或σ = σ (r) 分布，可取圆环带上带电dq = σ 2πrdr 。 四、场强计算举例 Z z 0 dq =λd z dq =Rdθ•λ R 0 x dθ ⌒ 环带 dq =2πr 0 r