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1、1 电磁学电磁学: 绪言、数学预备绪言、数学预备 2 使用使用教材：教材：赵凯华、陈熙谋赵凯华、陈熙谋 新概念物理教程新概念物理教程电磁学电磁学 北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 参考书：参考书： 大学物理通用教程大学物理通用教程电磁学电磁学 陈秉乾、王稼军陈秉乾、王稼军 电磁学电磁学 第二版第二版 贾起民贾起民 郑永令等郑永令等 物理学物理学三卷二分册三卷二分册 瑞斯尼克、哈里德瑞斯尼克、哈里德 费曼物理学讲义费曼物理学讲义第二卷第二卷 R.P.费曼费曼 电磁学专题研究电磁学专题研究 陈秉乾陈秉乾 舒幼生舒幼生 等等 3 电磁学的重要性电磁学的重要性 The Importance o
2、f Electromagnetism 诸如诸如电子、质子电子、质子等等带电粒子，带电粒子，是是自然界普遍存在的自然界普遍存在的物质物质. . 我们周围的各种我们周围的各种无生命的无生命的和和有生命的物质有生命的物质内部，都存在着内部，都存在着 大量的带电粒子大量的带电粒子. . 而且而且, ,按理论推算按理论推算, ,宇宙物质的宇宙物质的 90% 90% 以上，处于以上，处于等离子体等离子体 （plasmaplasma）状态）状态. . 4 电磁相互作用电磁相互作用和和电磁场电磁场 电磁相互作用电磁相互作用是迄今为止，所发现的自然界是迄今为止，所发现的自然界四种基本相互四种基本相互 作用之一作
3、用之一, ,这种相互作用通过这种相互作用通过电磁场（电磁波、光电磁场（电磁波、光) ) 传递传递, ,它它支支 配着原子和分子的结构配着原子和分子的结构, ,因而在很大程度上因而在很大程度上决定着各种物质决定着各种物质的的物物 理与化学性质理与化学性质. . 电磁场和电磁波电磁场和电磁波( (光光) )是人类至今最主要的是人类至今最主要的能源能源, ,也是人类至也是人类至 今最广泛利用的今最广泛利用的电子信息载体电子信息载体. .所有的电子和信息所有的电子和信息元（器）件元（器）件， 都是利用一定都是利用一定材料的电磁（光电、光磁）效应材料的电磁（光电、光磁）效应. . 电磁学电磁学的研究对象
4、是电磁相互作用的基本规律的研究对象是电磁相互作用的基本规律. .电磁学的基电磁学的基 本原理不仅是本原理不仅是物理学物理学的重要基础的重要基础, ,也是也是材料科学、电子与信息科材料科学、电子与信息科 学、生命科学学、生命科学和和工业、农业、医学工业、农业、医学与与生物工程、军事、环保生物工程、军事、环保技术技术 领域的重要基础领域的重要基础. . 5 电磁学的研究对象电磁学的研究对象 电磁学电磁学的研究对象是的研究对象是电磁相互作用的基本原理及其电磁相互作用的基本原理及其 应用应用. . 电磁学的基本原理不仅是电磁学的基本原理不仅是物理学物理学的重要基础的重要基础, , 也是也是能源科学、材
5、料科学、电子与信息科学、生物与能源科学、材料科学、电子与信息科学、生物与 医学科学，以及工业、农业、军事、环保医学科学，以及工业、农业、军事、环保等技术领域的重等技术领域的重 要基础要基础. . 6 电磁学课程介绍电磁学课程介绍 电磁学是普通物理系列中电磁学是普通物理系列中最重要的基础课之一最重要的基础课之一，是电工，是电工 学、电子学、等离子体物理、磁流体力学、光的电磁理论等学、电子学、等离子体物理、磁流体力学、光的电磁理论等 的的基础基础，是经典物理的，是经典物理的重要组成部分重要组成部分，也是近代物理和许多，也是近代物理和许多 技术学科技术学科不可缺少的基础。不可缺少的基础。 电磁学课程
6、包括电磁学课程包括静电场、恒磁场、电磁感应、电磁介静电场、恒磁场、电磁感应、电磁介 质、电路、麦克斯韦电磁场理论、电磁波质、电路、麦克斯韦电磁场理论、电磁波等内容。等内容。 7 电磁学中电磁学中最重要的概念是最重要的概念是“场场”。场与质点不同，是。场与质点不同，是 在空间具有连续分布的客体，它的规律要从总体上去把握在空间具有连续分布的客体，它的规律要从总体上去把握 。场在空间的分布不一定直接与场源相联系，临近各点之。场在空间的分布不一定直接与场源相联系，临近各点之 间场的分布也是紧密相关的。间场的分布也是紧密相关的。描述和处理描述和处理“场场”所需的概所需的概 念（如通量、环量）和方法与力学
7、、热学课程中所遇到的念（如通量、环量）和方法与力学、热学课程中所遇到的 大不相同大不相同。电磁学课程第一次系统地向学生。电磁学课程第一次系统地向学生介绍介绍“场场”的的 概念和处理概念和处理“场场”的方法的方法。按现代物理学的观点，。按现代物理学的观点，粒子不粒子不 过是场的激发态，过是场的激发态，“场场”的概念比的概念比“粒子粒子”更基本更基本。通过。通过 “场场”产生相互作用的观点与现代物理学的精神相通的。产生相互作用的观点与现代物理学的精神相通的。 8 电磁学概貌电磁学概貌THE GENERAL PICTURE OF ELECTROMAGNETISM 17851785 库仑定律库仑定律
8、电荷的电场电荷的电场 电场强度电场强度 电场高斯定理电场高斯定理 静电场环路定理静电场环路定理 静电标势静电标势 电场能电场能 电荷与电场的互作用能电荷与电场的互作用能 电荷守恒定律电荷守恒定律 18201820 安培定律安培定律 毕奥毕奥- -萨伐尔萨伐尔 定律定律 稳恒电流的磁场稳恒电流的磁场 磁感应强度磁感应强度 磁场高斯定理磁场高斯定理 安培环路定理安培环路定理 磁场矢势磁场矢势 磁场能磁场能 电流与磁场的互作用能电流与磁场的互作用能 18311831 法拉第法拉第 电磁感应定律电磁感应定律 变化磁场变化磁场 产生电场产生电场 变化电场变化电场 产生磁场产生磁场 18641864 麦克
9、斯韦麦克斯韦 电磁场方程组电磁场方程组 18951895 洛伦兹洛伦兹 力公式力公式 电磁波电磁波 电磁场的电磁场的 相对性和统一性相对性和统一性 物质的电磁性质物质的电磁性质 电磁相互作用的电磁相互作用的 守恒定律守恒定律 18641864 麦克斯韦假设麦克斯韦假设 实验定律实验定律场概念场概念场性质场性质经典电磁理论经典电磁理论 9 电磁学课程学习要求：电磁学课程学习要求： 1.1.课前要课前要认真预习认真预习，找出疑难之处。，找出疑难之处。 2.2.上课时要求认真听讲，并作必要的课堂记录，上课时要求认真听讲，并作必要的课堂记录，要向要向 4545分钟要效率。分钟要效率。 3.3.课后要及
10、时课后要及时复习复习，要，要独立按时独立按时完成作业。完成作业。 建议：建议： 培养良好学习习惯培养良好学习习惯及时复习、及时总及时复习、及时总 结；结； 抓住基本概念、内容和基本解题方法；抓住基本概念、内容和基本解题方法； 课内与课外相结合、教材与参考书相结合；课内与课外相结合、教材与参考书相结合； 适合你的是最好的适合你的是最好的量力而行，不要跟量力而行，不要跟 风；风； 教与学要经常沟通，互相适应，教学相长；教与学要经常沟通，互相适应，教学相长； 10 评价：评价： 学学习习成绩（成绩（100分）分） 平时成绩平时成绩20 期期中中考试成绩考试成绩20 期末考试成绩期末考试成绩60 任何
11、教学建议请发邮件任何教学建议请发邮件:xzzhang 本课程的考核方式本课程的考核方式 11 物理量分类物理量分类: : 标量，矢量和张量标量，矢量和张量(scalars ,vectors and tensors) 标量（标量（0 0阶张量）阶张量）无空间取向无空间取向，只需要，只需要一个数值一个数值即可表示的即可表示的 量。例如，量。例如，长度，时间，质量，能量长度，时间，质量，能量，电势电势（电位）等。（电位）等。 数学预备（数学预备（1） 矢量、坐标系、立体角与重积分矢量、坐标系、立体角与重积分（教材（教材P463P463） 矢量矢量（1 1阶张量）阶张量）有一定的空间取向的量，在一般的
12、三维欧有一定的空间取向的量，在一般的三维欧 氏空间中，氏空间中，这类量可分解为这类量可分解为3 3 个个有序分量有序分量。例如，质点。例如，质点 的的位置位置矢量，速度，动量，角动量矢量，速度，动量，角动量; ;电场强度，磁场强电场强度，磁场强 度，度，等。等。 二阶张量二阶张量这类量有着这类量有着比比矢量更复杂矢量更复杂的空间取向的空间取向，在一般的，在一般的 三维欧氏空间中，三维欧氏空间中，二阶张量二阶张量可分解为可分解为9 9 个个有序分量有序分量。例。例 如，如，刚体的转动惯量刚体的转动惯量，电荷系统的四极矩，等。电荷系统的四极矩，等。 还可以定义更高阶的张量还可以定义更高阶的张量 1
13、2 印刷印刷用用黑体字母黑体字母，如，如 r , A 书写书写在在字母上方加一字母上方加一箭头箭头，如如r , ,A 1 1. .矢量的矢量的点乘点乘和和叉乘叉乘 ( (1 1) )矢量的点乘矢量的点乘（标积标积） 矢量矢量 A与与B 的点乘的点乘定义为定义为标量标量 A B =AB cosq q 非黑体的非黑体的A和和B，分别表示分别表示矢量矢量A和和B的数值的数值，q q是两是两矢量的夹角矢量的夹角. .按此定按此定 义义，显然有显然有 A B = B A （矢量的标积矢量的标积满足交换律满足交换律） 正值正值当当0 q q p p / /2 2 A B =0当当q q = = p p /
14、 / 2 2（两矢量正交两矢量正交） 负值负值当当p p / / 2 2 q q p p 矢量表示矢量表示 A B q 13 矢量矢量 A与与B 的的叉乘叉乘定义为定义为矢量矢量 C = AB 其值为其值为 C = AB sinq q 即等于以这两个即等于以这两个矢量的长度矢量的长度为邻边构成的平行四边形的面积为邻边构成的平行四边形的面积. . 规定：规定：作为运算结果的作为运算结果的矢量矢量C ，垂直于垂直于A和和B 构成的平面构成的平面，其方向遵其方向遵 从从右手右手螺旋规则螺旋规则设想设想 A 沿沿q q 角角（小于（小于p p ）旋转）旋转到到 B（以右手弯曲的四（以右手弯曲的四 指表
15、示旋转方向），则螺旋前进的方向（右手母指的方向）就是指表示旋转方向），则螺旋前进的方向（右手母指的方向）就是C 的方向的方向. . 按此规定，显然有按此规定，显然有 AB = - BA （矢量的矢积不矢量的矢积不满足交换律满足交换律） 而且而且, ,当当q =0 q =0 或或p p，即两个即两个矢量矢量同向或反向同向或反向时，时，矢积为零：矢积为零： AB = 0 (2)(2)矢量的叉乘（矢积矢量的叉乘（矢积） q A B C 14 2.2.坐标系、立体角坐标系、立体角（教材（教材P467P467）和）和重积分重积分 （1 1）直角坐标系（笛卡儿坐标系）直角坐标系（笛卡儿坐标系） 沿三个坐标
16、轴正方向的单位基矢沿三个坐标轴正方向的单位基矢： 任一点任一点P P的坐标：的坐标： （x, y, z） P P点的点的位置矢量位置矢量： P P点处点处任一矢量任一矢量： x r P y z x y z dx dy dz o F zeyexe , , 321 = z zyyxxr= zFyFxF zyx =F 沿三个基矢方向沿三个基矢方向的的无限小线元为无限小线元为 dl1 = dx, dl2= dy, dl3=dz 与三个基矢正交与三个基矢正交的的无限小面积元为无限小面积元为 dS1 = dl2 dl3= dydz dS2= dl3dl1= dzdx dS3= dl1dl2= dxdy 无限小体积元为无限小体积
