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电动力学(第2版·微课视频版)

凝练电磁精髓,融入前沿热点,渗透应用案例,提升创新能力。提供课件

作者:曹斌照、马宁、张强
定价:59.90
印次:2-1
ISBN:9787302657613
出版日期:2024.05.01
印刷日期:2024.04.03

本书是教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材,山西省高等学校线下一流课程“电动力学”使用教材。全书系统地阐述了经典电动力学的基本概念、基本规律和基本方法。主要介绍电磁场的基本属性及其分析方法,电磁波的产生、辐射、传播、衍射等,电磁场与带电粒子的相互作用规律。全书共7章,内容包括: 矢量分析、电磁现象的基本规律、静电场、静磁场、电磁波的辐射、电磁波的传播、运动系统的电磁场,书末提供各章部分习题参考答案和附录(常用坐标系下矢量运算恒等关系、场论公式、物理常量)等。书中另附有配套微视频讲解、习题分析与详解、教案和阅读材料等数字资源,可通过扫描二维码获取。 本书在保留经典电动力学基本知识体系结构不变的前提下,对具体内容适度整合,遵循由一般到特殊的逻辑关系,力图建立“电动力学”与“电磁场理论”课程的衔接。精选了与课程直接相关的、具有典型代表性的科技前沿作为补充阅读材料。在选择例题和习题的过程中,力求达到理论与实际相结合、学以致用的效果。各章最后部分增加课程思政教育内容。此外,书中穿插诸如内容强调、解题点拨、重点提醒、思考延伸等栏目,与读者分享学习体会。 本书可作为高等院校光电信息类、物理学类本科专业基础课“电动力学”教材,也可供电子信息类、电气类专业的师生参考,对于开展研究型教学的强基班、创新型人才培养基地班也具有一定的参考价值。

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前言 当今时代,新一轮科技革命和产业变革深入发展,学科交叉融合不断推进,科学技术和经济社会发展加速渗透融合。党的二十大着重提出,要统筹职业教育、高等教育、继续教育协同创新,推进职普融通、产教融合、科教融汇。电子信息类学科是当今现代科学技术中飞速发展的学科,作为众多应用技术的理论基础,对于推进科技的发展和进步发挥着重要的作用。当代科学的发展表明,电磁场理论是电子信息类各专业的重要模块之一,又和新型的材料学科、生物技术等形成交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础。随着电子信息类学科的迅速发展,电磁现象的研究越来越成为电子信息类专业和物理学专业中举足轻重的重要内容。 “电动力学”是高等学校光电信息类专业、物理学各专业本科生必修的一门专业基础课,其研究对象是电磁场的基本属性、运动规律及与带电物质之间的相互作用。当今,随着电子信息类学科的迅速发展,电磁现象的研究也成为电子信息类专业中不可或缺的重要内容。“电动力学”在物理学中被称作“四大力学”之一,足见其地位之重要。在经典理论中,“电动力学”与“电磁场理论”的关系甚为密切。二者研究对象和研究方法基本相同,都是运用矢量分析和场论基础。但从理论的层次看,“电动力学”侧重于从物理的本源出发探究宏观电磁场的本质属性,基于麦克斯韦方程组和洛伦兹力这两大基石,研究静态电磁场的基本属性及其分析方法,电磁波的产生、传播、辐射、衍射,电磁场与带电粒子的相互作用规律及狭义相对论框架下的相对论不变性; “电磁场理论”则更侧重于应用,同样以麦克斯韦方程组和洛伦兹力为基础,主要研究静态场、时变电磁场的基本特性和分析方法,包括静态场的分布规律,电磁波的传播、传输、辐射等规律及应用,一般对于狭义相对论和高速运动带电粒子与电磁场的相互作用很少讨论。由此可见,“电动力学”与“电磁场理论”在本质上是息息相通的。 本书第一作者从2003年至今在兰州大学和太原理工大学先后进行“电磁场理论/电磁场与电磁波”和“电动力学”课程的讲授,专注于课程创新性改革探索与实践。针对光电信息科学与工程、应用物理学两个专业开设的“电动力学”课程,积极开展研究型与实践型教学模式的探索性研究。课程组结合在教学工作、教学研究中的体会,认为编写一本具有物理背景且理工皆宜的“电动力学”本科教材对于促进学校“理工融合”的发展大有裨益。经向清华大学出版社申请,审核同意后着手编写,于2019年8月正式出版“电动力学”,并入选“教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材、高等学校电子信息类专业系列教材·新形态教材”。迄今为止,该教材投入使用已达四年,期间虽几经完善、勘误,但发现原教材中在个别概念的前后衔接、重要规律的完整推证、例题和习题的合理遴选等方面仍存在一些不足,故于2023年7月向清华大学出版社提出再版申请,经审核同意,新版教材《电动力学》将修订为第2版·微课视频版。与第1版教材相比,第2版教材在保持原有布局不变的前提下,进行了如下方面的修订: (1) 对第1版教材中的多处语言表达进行了润色,并对第1版中的错误进行了细致的修改,尽最大可能降低各类错误,提高图书质量。 (2) 对个别前后衔接不妥的概念进行了适当处理,对“介质”概念进行了明确鉴定。 (3) 补充了第1版欠完善的内容。例如,增补了亥姆霍兹定理在有限区域内的形式、静电场的高斯定理和环路定理的矢量分析理论证明方法,完善了感应电动势一般形式的推导、介质球周围电场的分离变量法求解等。 (4) 调整、丰富了部分例题和习题,使之更具有典型性、示范性。全面勘误了习题参考答案,并完成了习题详解。 (5) 每章最后增加课程思政教育一节,融授业、解惑、传道于一体。 (6) 嵌入视频讲解、习题解答、教案、教学研究论文等数字资源于纸质书中,通过扫描二维码即可获取。 本书具有以下几方面的特色: (1) 保留经典,融入热点。 本书在保留“电动力学”经典内容的同时,注重反映电磁领域中突出的新成果和发展方向,将这方面的最新科研进展内容加入相应章节,使古老的经典理论焕发出强劲的生命力。如麦克斯韦方程组的协变性、静电隐形衣、左手材料和零折射率材料中电磁波的传播规律、光子晶体、石墨烯的量子磁输运、散射相消原理及其应用等,达到教学内容与科技前沿和应用直接对接,不仅能够提高学生的学习兴趣,更有利于创新型人才的培养。 (2) 贯穿“课程思政”,促进“立德树人”。 “电动力学”作为物理学的分支,具有深厚的历史底蕴、广博的思维视角、引领科技的基础作用,为该课程思政提供了丰富多彩的元素和资源。同时,“电动力学”是一门基于实践的课程,由实践到理论,再由基本理论指导具体应用的方法论,其中所折射着的马克思主义哲学思想,有助于大学生物质世界观、实践论等哲学思想的强化培养。将“电动力学”中所蕴含的科学精神、科学方法、人类进步、人文价值、家国情怀等融入教材,每章最后增加课程思政教育一节,促进“立德树人” 同向同行。 (3) 建立和电磁理论的衔接。 编写本教材的初衷是适应本校“强基固本,理工融合”的发展格局,使之成为一门集理科专业物理学类“电动力学”和光电子信息类工科专业“电磁场理论”共同特性为一体的教材。使学生通过该课程的学习,对电磁场的基础理论、基本方法与应用有一个较好的综合掌握,并希望推广到具有相同专业特色的地方院校参考使用。 (4) 精选例题习题,渗透应用案例。 精心遴选例题和习题,力争达到典型性、示范性。有些例题紧密结合科技前沿内容,如零折射率材料缺陷对电磁波的调控——非齐次边界条件下亥姆霍兹方程的求解,静电隐形衣的实现——多层介质球内静态场的分离变量法举例,等效介质电磁参数的新的推导——边界条件的妙用等。 (5) 数字资源与纸质书籍融为一体。 将视频讲解、习题分析与详解、教案、教学研究论文等数字资源嵌入教材,纸质版与电子版有机融为一体。通过扫描二维码获得电子资源,在一定程度上既减少了书籍的篇幅,也为不同需求的读者增加了学习的灵活性。 (6) 分享心得体会,帮助读者解惑。 结合课程中的重点、难点、疑点或深入探究的地方,以“难点点拨”“重点提醒”“答疑解惑”和“延伸思考”等方式与读者交流认识,达到无声的答疑。 通过以上架构,希望改变“千书一面”,使之更接地气。这些补充的内容,既有基本知识的拓展,也有编者多年教学与研究的成果,部分内容具有独创性。相信读者通过阅读本教材,一定能有所禆益。 本书由“电动力学”课程组主要成员曹斌照、马宁、张强负责编著。全书共分7章,内容包括矢量分析、电磁现象的基本规律、静电场、静磁场、电磁波的辐射、电磁波的传播、运动系统的电磁场,适合于48~72学时的教学,书中加“ *”的内容,可以根据实际情况选讲。曹斌照负责全书的整体规划,编写了第2章、第3章、前言和附录部分,对全书进行了统校; 马宁编写了第4章、第5章和第7章; 张强编写了第6章; 范明明、张强编写了第1章。本书配套视频讲解内容,曹斌照负责第2章、第3章、第6章; 马宁负责第5章、第7章; 张强负责第4章。书中每章除有“本章导读”和“本章小结”外,还选有较多的典型例题和习题以供读者巩固复习之用,习题中加“*”的内容具有一定的挑战性。书末附有部分习题参考答案和附录备查。 在此,要特别感谢兰州大学博士生导师许福永教授。许教授作为本书第一编者的硕士生、博士生导师,以及刚步入兰州大学讲台的启蒙老师,手把手指导学生如何讲课、如何开展教学研究。曾多次鼓励学生厚积薄发,编写出具有自身特色的教材。在此书的编写过程中,许教授给予了极大的帮助和鼓励,并提供了珍贵的一手教学资料,给予了宝贵的指导意见,为进一步提升本教材的质量做出了无私的贡献,特此表示衷心的感谢!同时,要感谢兰州大学梅中磊教授给予的帮助与支持。在《电动力学》的成书过程中,吸纳了梅中磊负责、曹斌照参编的《电磁场与电磁波》(第2版)的部分特色和素材,从而使本书内容更加完善和充实。 在微视频章节总结部分录制中,太原理工大学孙非老师和张明达老师积极参与,在此深表感谢!太原理工大学本科生徐振然等同学以及教材的部分读者对书中的印刷错误提出了宝贵意见,特此一并致谢! 在本书的构思、申报、编写和出版过程中,得到了清华大学出版社赵凯编辑的大力支持,太原理工大学 本科生院、 物理学院、电子信息与光学工程学院给予了有力支持,在此深表感谢! 由于编者水平有限,书中难免存在一些疏漏或欠妥之处,恳请广大读者批评指正。我们将不断完善、更新,热忱欢迎广大读者提出宝贵意见和建议。 编者2024年1月

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  • 经典教材升级,配套有教学课件、微课视频、教学大纲等资源。

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  • 目录

    第1章矢量分析

    1.1矢量的代数运算

    1.1.1标量、矢量 

    1.1.2矢量的加减和数乘

    1.1.3标量积、矢量积、混合积

    1.1.4标量场、矢量场

    1.2标量场的梯度、矢量场的散度与旋度

    1.2.1标量场的方向导数和梯度

    1.2.2矢量场的通量和散度

    1.2.3矢量场的环量和旋度

    1.2.4微分算子

    1.3矢量积分定理

    1.3.1高斯散度定理

    1.3.2斯托克斯定理

    1.3.3格林定理

    1.3.4亥姆霍兹定理

    1.4三种常用坐标系

    1.4.1坐标变量和基本单位矢量

    1.4.2坐标变量之间的关系

    1.4.3基本单位矢量之间的关系

    1.4.4不同坐标系之间的矢量转换

    1.4.5三种常用坐标系中的梯度、散度、旋度及拉普拉斯运算表达式

    1.5并矢与张量

    1.5.1并矢与张量的概念

    1.5.2张量的运算

    *1.6思政教育: 工欲善其事,必先利其器

    本章小结

    习题1

    第2章电磁现象的基本规律

    2.1静电场的基本规律

    2.1.1库仑定律 

    2.1.2电场强度

    2.1.3高斯定理和电场的散度

    2.1.4静电场的环量定理和旋度

    2.2静磁场的基本规律

    2.2.1电流与电流密度

    2.2.2电荷守恒定律——电流连续性方程 

    2.2.3安培定律——磁感应强度 

    2.2.4静磁场的通量和散度 

    2.2.5静磁场的环量和旋度

    2.3介质的电磁性质

    ...

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