電磁場與電磁波實驗教學研究

1、<p>　　電磁場與電磁波實驗教學研究</p><p>　　摘要：本文針對“電磁場域電磁波”課程特點和實驗教學現(xiàn)狀，引入了軟件仿真實驗教學方法，并給出了實驗課程的開展過程。實踐證明該舉措激發(fā)了學生的學習興趣，提高了教學效果。 </p><p>　　Abstract： This article explores the characteristics and actuality o

2、f experiment teaching of "Electromagnetic Fields and Waves"， introduces the simulation experimental teaching method， and introduces the experimental curriculum development process. The practice proves that the

3、measures can stimulate the students′ interest in learning and improve the teaching quality. </p><p>　　關鍵詞：電磁場與電磁波；仿真實驗教學；教學改革 </p><p>　　Key words： Electromagnetic Fields and Waves；simulation exp

4、erimental teaching；education reform </p><p>　　中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）35-0133-02 </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　電磁場與電磁波是電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課。隨著信息技術的飛速發(fā)展，要求

5、從事電子信息技術的人員必須通曉和掌握電磁場與電磁波的基本特性、分析方法及其應用。學習本課程目的是使學生通過學習，能熟練地較系統(tǒng)、深入地掌握電磁場與電磁波方面的基本理論及其應用，為學生將來從事這方面的工作以及進一步深造打好理論基礎。 </p><p>　　由于該課程理論性強，概念抽象，具有“看不見、摸不著”的特點，導致該課程一直處于教師難教，學生難學的狀態(tài)。實驗教學是課程的重要組成部分，可以使學生通過實驗環(huán)節(jié)將課程

6、中所學習到的理論加以理解和應用[1-3]。 </p><p><b>　　1 實驗教學現(xiàn)狀 </b></p><p>　　由于硬件實驗所需的實驗儀器昂貴，利用率低，而且很多對應實驗內(nèi)容過于陳舊，主要局限于微波的干涉和衍射等，同時這些實驗仍然不能改變電磁場與電磁波“看不見摸不著”的問題，因此青島農(nóng)業(yè)大學理學與信息科學學院一直未開設相關實驗。 </p>&l

7、t;p>　　基于以上原因，該院從2014級開始，在教學過程中，引入軟件仿真實驗。 </p><p><b>　　2 軟件仿真實驗 </b></p><p>　　利用MATLAB軟件仿真電磁場的分布，模擬電磁波的傳播，有效解決電磁場與電磁波“看不見摸不著”的問題，將理論問題具體化，抽象問題可視化[4]。 </p><p>　　2.1 實驗項

8、目設定 </p><p>　　根據(jù)教學重點和專業(yè)發(fā)展，針對電磁場理論和電磁波傳播，設計實驗項目。 </p><p>　　結合教學實際，該院從2014級開始，對電子信息類相關專業(yè)的《電磁場與電磁波》課程增加8個學時的實驗，并全部設為仿真實驗，主要針對靜電場、恒定磁場、邊值問題、均勻平面波的傳播等內(nèi)容設置相關實驗。 </p><p>　　2.2 實驗課程的開展 <

9、/p><p>　?、倮碚撝R講解。首先對相關實驗的理論知識重點講解，并要求學生對Matlab軟件的使用有一定的基礎，并在課堂上教師首先演示如何使用Matlab進行仿真模擬。 </p><p>　?、诿鞔_實驗目的，要求學生根據(jù)實驗目的結合理論知識進行程序編寫。此項主要鍛煉學生對理論知識的理解掌握水平，以及如何將數(shù)學公式用程序描述出來，并進行畫圖演示。 </p><p>　

10、?、鄯治鰧嶒灲Y果。結合理論知識，分析實驗結果。要求學生能夠根據(jù)理論知識解釋實驗現(xiàn)象，并能根據(jù)仿真結果修改完善仿真程序。 </p><p>　?、苣芰μ岣?。對實驗做出改進，比如二維顯示變?nèi)S顯示，能夠模擬更復雜的電磁場與電磁波分布。 </p><p>　　在整個實驗過程中，一定要充分發(fā)揮學生的自主性和能動性，重點在于鍛煉學生的編程能力和對理論知識的理解。 </p><p&

11、gt;　　2.3 仿真實驗舉例 </p><p>　　下面以一個正方形截面的無限長金屬盒為例，利用有限差分法模擬靜電場電位分布，說明整個實驗過程。盒子的兩側及底部的電位為零，頂部電位為100V，求盒內(nèi)電位分布[5]。 </p><p>　　2.3.1 實驗原理 </p><p>　　有限差分法是數(shù)值計算中應用得最早而又相當簡單、直觀的一種方法。其基本思想是將場域劃分

12、為網(wǎng)格，把求解場域內(nèi)連續(xù)的場分布用求解網(wǎng)格節(jié)點上的離散的數(shù)值解來代替，即用網(wǎng)格節(jié)點的查分方程近似代替場域內(nèi)的偏微分方程來求解。 </p><p>　　2.3.2 實驗目的 </p><p>　?、僬莆沼邢薏罘址ǖ脑砼c計算步驟； </p><p>　?、诶斫獠⒄莆涨蠼獠罘址匠探M的超松弛迭代法，分析加速收斂因子的作用； </p><p>　?、?/p>

13、學會用有限差分法解簡單的二維靜電場邊值問題，并編制計算程序。 </p><p>　　2.3.3 實驗步驟 </p><p>　　通常將場域劃分成足夠小的正方形網(wǎng)格，則將電位函數(shù)滿足的拉普拉斯方程寫成差分形式為： </p><p>　　同時將邊界條件進行離散化，整理成邊界節(jié)點上的已知數(shù)值，然后求解各節(jié)點電位。如果節(jié)點的個數(shù)過多，計算量將會很大，因此通常使用迭代法。而為

14、了提高收斂速度，實際中常采用超松弛迭代法。查分方程為： </p><p>　　其中α稱為加速收斂因子，其取值范圍是1≤α<2，當α≥2時，迭代過程將不收斂。加速收斂因子α有一個最佳取值問題，但隨具體問題而異。對于第一類邊值問題，若一正方形場域由正方形網(wǎng)格分割（每邊結點數(shù)分別為m和n），則最佳收斂因子α可按下式計算： </p><p>　　利用超松弛迭代法編寫MATLAB程序流程圖如圖

15、1所示。 </p><p>　　2.3.4 實驗結果及分析 </p><p>　　根據(jù)各節(jié)點電位畫出電位分布曲線圖如圖2所示。 </p><p>　　由分布圖可知金屬盒內(nèi)點電位的分布越靠近中間越高，越靠近金屬盒頂部電位越高。 </p><p>　　收斂因子與迭代次數(shù)的關系，如表1所示。 </p><p>　　從結果可知

16、，收斂因子選擇1.56迭代次數(shù)最少。 </p><p>　　2.3.5 能力提高 </p><p>　　以上實驗過程只仿真了電位的二維分布，如果有能力和時間，建議學生可進行電位分布的三維仿真，結果將更加形象直觀。 </p><p><b>　　3 結束語 </b></p><p>　　在電磁場與電磁波實驗教學改革中，引入

17、MATLAB仿真實驗，將抽象的電磁場形象化、可視化，不但可以幫助學生加深理解“場”與“波”的基本概念和理論，激發(fā)他們的學習興趣，更能促進他們不斷深入學習和研究。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]代秋芳，王衛(wèi)星，等.“電磁場與電磁波”實驗課程建設與實踐[J].電氣電子教學學報，2014，36（2）：94-95. </p

18、><p>　　[2]劉亮元，賀達江.電磁場與電磁波仿真實驗教學[J].實驗室研究與探索，2010，29（5）：30-32. </p><p>　　[3]羅霞，羅闊，李震，等.電磁場與電磁波實驗教學建設與探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（9）：87-89. </p><p>　　[4]呂秀麗，牟海維，李賢麗，等.Matlab在電磁場與電磁波實驗教學中之應用[J].實