中美電動(dòng)力學(xué)教學(xué)之比較淺析

中美電動(dòng)力學(xué)教學(xué)之比較淺析

楊茂志（南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授、博導(dǎo)）

電動(dòng)力學(xué)是目前世界上各國(guó)大學(xué)本科物理專業(yè)學(xué)生必修的重要基礎(chǔ)理論課之一。它描述的是電磁場(chǎng)本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電磁場(chǎng)與帶電物質(zhì)之間相互作用的規(guī)律。它的基本內(nèi)容包括電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律、靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、電磁波的傳播及輻射、狹義相對(duì)論等。它是在學(xué)生學(xué)習(xí)過電磁學(xué)課程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡述電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，使得學(xué)生進(jìn)一步掌握處理與電磁現(xiàn)象有關(guān)的較復(fù)雜問題的理論方法。因此在學(xué)習(xí)電動(dòng)力學(xué)之前，學(xué)生需要掌握一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如矢量分析、微分方程等，需要學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過數(shù)學(xué)物理方法課程。
電動(dòng)力學(xué)同為中美兩國(guó)大學(xué)物理類各專業(yè)開設(shè)的主要課程之一，在兩國(guó)大學(xué)之間，電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)既有整體上的共同點(diǎn)，也有細(xì)節(jié)上的差異性。分析兩國(guó)在電動(dòng)力學(xué)教學(xué)方面的異同點(diǎn)，吸收彼此的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)、提升教學(xué)質(zhì)量是有裨益的。
一、教學(xué)內(nèi)容及教材建設(shè)
從中美兩國(guó)電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容上來看，在知識(shí)主體的講授上是基
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的能量和動(dòng)量，物質(zhì)中的電磁波，電介質(zhì)界面上的反射和傳播，幾何光學(xué)定律，微波爐工作原理，原子色散和吸收的洛倫茲振蕩模型；波導(dǎo)，TE和TM波模；場(chǎng)和勢(shì)：失勢(shì)和標(biāo)勢(shì)，規(guī)范變換，庫(kù)侖規(guī)范、洛倫茲規(guī)范和格林函數(shù)法，推遲勢(shì)，李納-維謝爾勢(shì)，運(yùn)動(dòng)電荷的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，加速電荷的輻射，電偶極輻射，電四極和磁偶極輻射；電動(dòng)力學(xué)和狹義相對(duì)論：4-矢量，洛倫茲變換，四維流和四維勢(shì)，電磁場(chǎng)的洛倫茲變換，電磁場(chǎng)張量，麥克斯韋方程組的協(xié)變性，關(guān)于脈沖星的電磁學(xué)。
以上是美國(guó)著名大學(xué)之中的兩所關(guān)于電動(dòng)力學(xué)教學(xué)的內(nèi)容，具有一定的代表性。我國(guó)大學(xué)中電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容在主題上基本涵蓋了上述內(nèi)容，分為：電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，包括：庫(kù)侖定律，電場(chǎng)的散度和旋度，安培定律，畢奧一薩伐爾定律，磁場(chǎng)的散度和旋度，位移電流，麥克斯韋方程組，洛倫茲力，介質(zhì)的磁化和極化，介質(zhì)中的麥克斯韋方程組，電磁場(chǎng)邊值關(guān)系，電磁場(chǎng)的能量和能流；靜電場(chǎng)，包括：靜電場(chǎng)的標(biāo)勢(shì)，標(biāo)勢(shì)的微分方程，唯一性定理，靜電場(chǎng)能量，拉普拉斯方程，分離變量法，鏡像法，δ函數(shù)，格林函數(shù)法，多極展開及電多極矩，電偶極矩在外電場(chǎng)中所受的力矩、力及相互作用能；靜磁場(chǎng)，包括：磁失勢(shì)，失勢(shì)微分方程，靜磁場(chǎng)的能量，磁多極矩，磁失勢(shì)的多極展開，磁偶極矩的場(chǎng)，磁偶極子在外磁場(chǎng)中所受的力及力矩；電磁波的傳播及輻射，包括：電磁波的波動(dòng)方程，平面電磁波，偏振矢量，介質(zhì)的色散，電磁波的能量和能流，電磁波在界面上的反射和折射，菲涅爾公式，全反射，導(dǎo)體內(nèi)的電磁波，趨膚效應(yīng)，諧振腔和波導(dǎo)，等離子體中電磁波的傳播，電磁場(chǎng)的失勢(shì)和標(biāo)勢(shì)，規(guī)范變換，達(dá)朗貝爾方程，推遲勢(shì)，電磁輻射公式，輻射公式的展開式，電偶極輻射、磁偶極輻射，電四極輻射，輻射的能流和角分布，電磁波的衍射，電磁場(chǎng)的動(dòng)量；狹義相對(duì)論：相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，愛因斯坦的基本假設(shè)，間隔不變性，洛倫茲變換，因果關(guān)系的保持和最大傳播速度，運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩和運(yùn)動(dòng)尺度的縮短效應(yīng)，速度變換，四維形式，四維協(xié)變量，電動(dòng)力學(xué)的相對(duì)論協(xié)變性，相對(duì)論力學(xué)；帶電粒子和電磁場(chǎng)的相互作用，運(yùn)動(dòng)帶電粒子的勢(shì)和輻射電磁場(chǎng)，李納-維謝爾勢(shì)，電磁質(zhì)量，輻射阻尼，電磁波的散射和吸收等基本內(nèi)容。在某些知識(shí)點(diǎn)上又有不同的程度的增加，如增加了一些可以用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)解釋的前沿課題，如高斯光束、光子晶體、超導(dǎo)體、磁流體等。使本科教學(xué)能夠跟上科學(xué)前沿進(jìn)展，使學(xué)生能夠?qū)εc電動(dòng)力學(xué)有關(guān)的前沿研究課題有所了解。
對(duì)以上的教學(xué)內(nèi)容稍作比較就會(huì)發(fā)現(xiàn)，中美兩國(guó)在電動(dòng)力學(xué)的教學(xué)上講授內(nèi)容的涵蓋范圍是基本相同的，只是在知識(shí)點(diǎn)的順序安排上存在差別。這樣的差別在各自國(guó)內(nèi)不同的大學(xué)之間也是存在的。
關(guān)于教材的使用上，美國(guó)的大學(xué)使用較多的電動(dòng)力學(xué)教材包括：David J. Griffiths著 《電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論》，John David Jackson 著《經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)》等。其中使用David J. Griffiths著《電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論》作為電動(dòng)力學(xué)教材的大學(xué)有麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、芝加哥大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)等美國(guó)著名大學(xué)。Griffiths所著《電動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論》，全書共分十二章。第一章占用較大篇幅詳細(xì)講解了矢量分析，為電動(dòng)力學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)做了充分的準(zhǔn)備，使得該書自成一個(gè)體系。其余章節(jié)為電動(dòng)力學(xué)本身，內(nèi)容由淺及深，并且書中繪制了大量精美的插圖，清晰而直觀的圖像為電動(dòng)力學(xué)這樣的一門理論性極強(qiáng)的課程增加了趣味性。本書另外的一個(gè)重要組成部分是，配合各個(gè)章節(jié)的物理內(nèi)容，書中選編了大量的例題和習(xí)題，有些題目難度較大。眾多的習(xí)題和例題對(duì)于 ……（未完，全文共3751字，當(dāng)前僅顯示1894字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《中美電動(dòng)力學(xué)教學(xué)之比較淺析》）