电磁波的实际应用范文

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作者简介：张清河（1969-），男，湖北当阳人，三峡大学理学院，副教授。

基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：61179025）、三峡大学教学研究项目共同资助的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0071-02

鉴于“电磁场与电磁波”在电子与通信技术领域的重要性，各国高校的电子与信息技术类专业一直将其作为一门必修的基础课程。[1-3]对于电子与信息技术类大学本科专业学生而言，“电磁场与电磁波”无疑是理论性最强、逻辑性最严密、数学工具应用最多、概念最抽象、涉及应用领域最广的课程之一。学好这门课，对培养学生严谨的科学思想、科学分析问题的能力、复杂抽象的逻辑思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。笔者在三峡大学（以下简称“我校”）电子信息科学与技术、光信息科学与技术两个本科专业讲授“电磁场与电磁波”课程多年，根据该课程的特点和知识体系，结合学生实际，采用多样化教学方法、新颖独特的教学内容，强化理论与实际应用相结合，激发了学生的学习兴趣，有效地改善了教学效果。

一、教材内容灵活处理

我校选用文献[4]作为电磁场与电磁波课程教材，它同时也是国内多所高校选用的教材。在多年讲授的基础上，对教材中的一些内容进行了灵活处理，取得了良好的效果。

在“媒质的电磁特性”一节中，教材直接给出了介质表面极化电荷面密度、磁化电流面密度的表达式，没有具体的推导过程，学生理解不了。事实上，这一结论的前提应该是自由空间中单一均匀介质表面，而教材中没有明确这一前提。在讲授这一部分内容时，先推导出任意两种不同均匀介质形成的交界面上极化电荷、磁化电流面密度，然后再退化到自由空间中单一均匀介质表面，下面仅以极化电荷为例。如图1，由于两者介质的极化强度不同，极化迁出与迁入的电荷不相等，导致在交界面的薄层内存在极化面电荷分布。

二、注重课程在新技术领域中的应用

在教学过程中，在阐述基本理论和基本概念的同时，积极引导学生去寻找电磁场与电磁波的应用，特别是在若干新技术领域中的应用，让学生了解电磁场与电磁波在科学技术进步中的作用，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了良好的教学效果。

在讲授“均匀平面波在各向异性媒质中的传播”一节时，重点放在均匀平面波在磁化等离子体中的传播。首先介绍了电离层依据电子浓度的不同，具有层状结构的分布特点，如D层、E层、F层等，在地磁场的作用下，电离层具有两个特性角频率，即电子的回旋角频率和等离子体临界频率。并指出电磁波在电离层中的传播特性与这两个频率紧密相关。当电磁波频率接近电子的回旋角频率时，将发生磁共振现象，导致电磁波能量损耗极大，电离层对电磁波的吸收最大，这是短波通信应该尽量回避使用的频率。为了实现卫星通信，电磁波频率必须高于等离子体临界频率，否则信号将不能穿过电离层。另一方面，频率小于临界频率的电磁波不能穿透电离层而被反射，利用电离层对电磁波的反射原理，可以实现短波远距离的通信和远距离目标的探测，这正是天波雷达的基本原理。在讲述“天线阵”一节时，结合现代军事尖端武器装备，讲解了相控阵雷达及相控阵天线的概念，并简要介绍了其工作原理，即通过控制相邻天线之间的相位差，就能够改变天线阵波束最大值的指向，实现主波束在全空间的扫描。讲解电磁波在导电介质中的传播时，结合海水的导电特性，向学生解释了为什么对潜通信要用长波通信。在讲解电磁波的极化概念时，引导学生分析为什么收音机和电视的天线架设不同，并简要介绍了电磁波的极化在微波遥感、光学工程、分析化学等应用领域中的广泛应用。通过理论知识与实际应用相结合，学生对这些问题有了较深的认识，开阔了视野，对本课程的学习兴趣也越来越浓厚。

三、结语

“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息类专业的学生来说又非常重要。我们在教学过程中进行了一些有益的探索，通过对教材内容的灵活处理、大量穿插理论知识在高新技术领域中的应用实例等，激发了学生对该课程的学习兴趣，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]Jin Au Kong.电磁波理论[M].吴季，等，译.北京：电子工业出版社，2003.

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1 引言

波导是一种用来约束或引导电磁波传输的结构。尽管存在很多不同形式的波导，而且新的形式还不断涌现，但到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。人工电磁材料是本世纪初物理学和电磁学的重要发现之一。作为人工电磁材料的一种，相对介电常数接近零的超材料（Epsilon-near- zero，ENZ超材料）具有低折射率，高相速度，近零相移等特点，这种超材料突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，可以应用于标准化技术领域，如新型电磁元器件、天线和开环谐振器等[1，2]，矩形波导在接近截止频率时的色散特性可以用来模拟ENZ超材料的行为[3]。该结构有大量的应用前景，特别对于隐形装置和微型天线的设计[4] 具有重要的理论参考价值和实际应用意义。

2 理论分析

图1是宽度为a和高度为b（其中a>b）的矩形波导。根据Maxwell方程组可以得到矩形波导TEmn模式电磁波的空间传输表达式：

TE波场方程 （1）

表式中w为电磁波角频率，kc为临界波数，m表示x方向变化的半周期数，n表示y方向变化的半周期数，γ为传播常数。

3 变形矩形波导的传输特性

选择两个过渡层厚度相等形成Π通道（或ENZ通道）[4]，对ENZ通道的传输系数进行模拟。介质通道和过渡区的介电常数εRCH=1（空气），波导输入端的介电常数εR=2，bs = bch = 0.8毫米时，Π通道传输系数曲线如图2所示。

可见，第一次传输峰出现在1.476 GHz，该点代表零阶共振，即在隧道中出现的频率;第二次传输峰值是由于法布里-珀罗共振所引起，其峰值位置很大程度上取决于隧道长度。

第二传输峰值的产生主要是由于法布里-珀罗共振引起的，并且高度依赖通道长度的变化而变化。法布里 - 珀罗共振的变化相当于狭窄的通道各种长度分别改变了L1 = 95毫米，L2= 127毫米，L3 = 190毫米，如图3所示。可见，该属性可以用来操纵第二传输高峰期。

5 结论

通过矩形波导的边界条件解出Maxwell方程组关于电磁波的空间传输表达式，得到了矩形波导截止频率和模式谱图的一般结果。讨论了ENA通道发生几何变形的传输电磁波的特征，改变通道长度仅影响法布里-珀罗共振出现的位置，并不会影响零阶共振的产生。

参考文献：

[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：160-168.

[2]邵毅全，吴国建.矩形波导中电磁波传输特性研究[J].激光杂志，2011，32（01）：06-07.

[3]黄丽，蒋练军，张学军等.基于高阻抗表面材料电磁特性的矩形波导[J].中南大学学报，2012，43（10）：3912-3916.

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电磁波层次成像技术是在医学层析成像技术理论上发展起来的，结合了层析成像技术和电磁波勘探技术的特点，具有探测精度高、信息量大的优势，因此在地质体内部结构的勘测中应用也越来越多。电磁波层析成像技术最初于上世纪二十年代在前苏联进行研究，至七十年代美国开始应用于钻孔间的探测等。直到上世纪八十年代，在我国的一些高校才开始对该技术进行研究，现在，高技术已经在石油、金属矿、地下水、岩溶、桩基等领域内广泛使用。电磁波层析成像技术主要涵盖电磁波系数层析成像、电磁波走时层析成像或电磁波相位层析成像，因此文章针对该技术在复杂高边坡工程地质勘察中的实际应用进行分析。

1 电磁波层析成像技术

电磁波层析成像技术，简称EMT，是根据医学中的CT技术发展而来，电磁波勘探是利用电磁波在介质中传播的速度以及衰减性来判断介质的分布及存在，通过一定频率的电磁波对地质体进行扫描，然后利用根据系统接收到周围不同方向的电磁波波场性质，进行计算以及图像重建，从而得到地质体内部的结构构造分布及其性质。在工程中，通常是利用介质对电磁波的衰减吸收系数对地质体中电磁波的传播特性指标进行定量，例如完整的岩体、坚硬的岩体中电磁波的吸收系数低，完整性越差、如溶洞、断裂带、裂隙带的电磁波波速低，吸收系数高，通过对吸收系数的分析，真实的反映出地质发育的空间分布特征。

2 边坡工程场区地质条件

本工程为一处废弃矿山高边坡工程，高度100米左右，计划在此地利用边坡建在摩崖石刻。工程影响深度约50米，工程的规模、设计位置及建造工艺均与边坡内部岩体的完整性、岩溶及断裂构造等相关，对钻探工程也有特殊要求，所以，必须对以上一方面的因素进行详细的勘测。根据地质调查与钻探资料显示，场区近地表地层为第四季松散堆积物，下部为石炭系船山组灰岩，岩体内存在发育良好的裂隙岩溶，节理发育完整，如图1，对岩溶裂隙的分布与发育影响较大，造成沿线地质异物和周围岩物性质存在较大的差异，特别是溶洞内充满黏性土、裂隙内充水等现象，电磁波在穿过这些地质体时，有明显的衰减，吸收系数变化明显，为电磁波层析成像技术的应用提供了条件。

3 电磁波层析成像测试

测试采用国产JWQ-5地下电测波法采集系统，在钻孔中分别放置发射机与接收机，固定发射机，接收机沿孔壁上下移动扫描，发射点与接收点密度都是1米，孔间距不大于25米。进行现场测试时，电磁波透视的分辨异常和距离都受工作频率的影响，高频率下，穿透距离短，但是分辨率高，经过测试，选择8MHz的发射频率，既保证有足够的穿透距离，又保证有较好的接收质量，本测试对现场10组孔间进行电测波层析成像的测试。

4 ZK7-ZK3-ZK13-ZK5-ZK11电磁波层析成像地质解释

该层位于边坡外侧与边坡近乎平行处，是该工程最重要的探测剖面，沿着剖面穿越坡体的上部，有多条溶蚀裂隙发育。在孔ZK3-ZK13处，高程大于112米时，吸收系数范围基本高于0.80nB/m，说明该处的裂隙发育较好；而高小于112米时，吸收系数基本在0.5-0.80 nB/m之间，说明岩体的整体性较完整；高程小于104米时，吸收系数低于0.5 nB/m，说明岩体的完整性较好。在浅地表处吸收系数较高的位置，表现出高异常特征，呈块状分布，因此可能存在溶蚀、断裂发育。高程在113米时，有明显异常体，呈块状分布，因此可能存在溶蚀、断裂发育，如图2所示。而在113米到114米附近突然变高，说明该深度处存在严重的溶蚀带。

从上图可以看出，ZK13和ZK5间存在三处电磁波衰减异常带，高程在108米处有吸收系数呈带状分布的异常带，可能是受溶蚀发育的影响。在ZK13以东出现吸收系数较高的异常带，说明其裂隙、溶蚀发育较好。同时根据电场衰减曲线观测结果，在112米高程上的衰减偏高，也就说明该处肯定有裂隙或溶蚀发育。在ZK5以东大概16米处，有高异常带分布，这与溶蚀现象有直接的关系，根据吸收系数的变化，以及在114米处的电场剖面严重衰减的现象出现，可以反映出和溶蚀槽RSC5的影响有关。综合进行后，可以确定溶蚀裂隙槽向下延伸至标高105米附近，影响的宽度大概在1-1.5米。

5 电磁波层析成像探测的规律

通过对作业区10组孔间的电磁波吸收系数进行探测，用所得到的探测结果和其它方法得到的结果进行对比可以发现，在场区内将破碎-极破碎岩体、裂隙发育-强发育带的吸收系数视为大于1 nB/m，较破碎、较发育带以及溶蚀带的吸收系数视为0.75-1 nB/m之间，而局部裂隙带、较完整的wanting吸收系数范围为0.55-0.75 nB/m，完整岩体吸收系数范围为0.1-0.55 nB/m；而冲水溶洞或填充黏土的裂隙以及破碎带的吸收系数为0.95-1.5 nB/m之间，呈现出高异常孤立体、构造破碎带及裂隙发育带表现为高异常体，呈现出带状或条状分布。

岩体整体的破碎程度可以用电磁波同步测量曲线的形状变化进行宏观的反应。通常，曲线 向右偏，表明吸收系数相对较大，存在大规模的溶洞或裂隙发育，如果曲线向左偏，表明此处岩体较为完整。岩体完整性的垂向变化规律可以由各剖面电磁波吸收系数成像剖面的垂向变化宏观反映出来。在存在溶蚀槽、溶蚀裂隙带以及溶洞等构造发育的时候，岩体的电磁波衰减一般比较强烈，岩体较为破碎，岩体结构以及完整性的变化通过其它探测方法测得结果与电磁波层析成像探测的结果相似性较高。

6 结论

将钻探技术与电磁波层析成像技术相结合，能够对岩体中的溶洞、断裂破碎带及裂隙发育带的分布特征及发育程度有效的进行探索，两种技术是互补的关系。根据探测结果表明，高程在108-112米以上的岩体发育有岩溶、节理裂隙，岩体较破碎；高程在100-112米范围内的岩体较完整；高程在90-85米以下，岩体完整，结构均匀。根据电磁波层析成像技术的应用，能够对勘测区域的地质构造以及发育特征有效的进行探测，从而为工程建造提供科学的参考依据。

参考文献：

[1]张旻舳，师学明.电磁波层析成像技术进展[J].工程地球物理学报，2009（4）.

[2]杜兴忠，曹俊兴.电磁波层析成像在岩溶勘查中的应用研究[J].工程地球物理学报，2008（5）.

[3]井西利，杨长春，王世清.一种改进的地震反射层析成像方法[J].地球物理学报，2007（6）.

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【关键词】电磁场理论 教学内容 教学方法 教学改革

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）20-0017-02

一 引言

随着中国信息科学技术的迅速发展，信息产业对电子信息工程技术人才的需求大量增加。2012年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录（2012年）》（以下简称新目录），对学科专业结构进行了优化。随着教育部新目录的颁布，我校为进一步优化人才培养模式，进行了各专业培养计划的修订。电磁场理论课程作为电子信息类专业的一门专业基础课，在通信工程及电子信息工程等专业人才的培养过程中占据着重要位置。要做到培养一批适应经济社会发展需要、教育与行业同步发展的电子信息工程技术人才，需要及时在电磁场理论课程的教学过程中进行教学改革，优化教学内容，改进教学方法，不断提高人才培养质量，适应社会发展的需求。

二 教学内容及方法改革

电磁场理论课程是电子信息类专业本科生必修的一门重要专业基础课。课程以大学物理、高等数学及工程数学为基础，主要介绍电磁场与电磁波的基本特性及规律，其教学效果的好坏将直接影响到后续专业课程的学习。因此，对电磁场理论课程的教学内容及教学方法开展研究在通信工程及电子信息专业建设中有着重要的意义。

为了培养适应经济社会发展需要的高质量创新型工程技术人才，特别是强化培养学生的工程能力和创新能力，将

电磁场理论课程的培养目标定位为既要使学生理解和掌握电磁场与电磁波的基本特性及规律，更要注重学生的工程能力和创新能力的培养。为了达到上述培养目标，本文结合本专业人才培养模式的特点和学校实际情况，对电磁场理论课程的教学内容与教学方法进行了改革与探索。

1.教学内容改革

电磁场理论课程主要内容包括矢量分析、电磁场的基本规律、静态电磁场、时变电磁场和均匀平面波。为了避免与大学物理部分内容重复，本课程从场论出发，以电磁场的散度和旋度为主线介绍电磁场的基本规律，得到涵盖电磁场普遍规律的麦克斯韦方程。然后从麦克斯韦方程出发，介绍最简单的一种电磁波——均匀平面波在不同媒质中的传播规律及在不同媒质分界面的反射与折射。通过对课程的学习，使学生全面理解电磁场的散度、旋度及梯度等基本概念，掌握电磁场的有关定理、定律、麦克斯韦方程的物理意义及数学表达式，掌握时变电磁场的特点及其传播规律。培养学生正确的思维方法和分析解决实际问题的能力，使学生学会用“场”的观点分析工程中的电磁现象和电磁过程，对一些典型的场的问题能进行计算。为学习专业课程或进一步研究电磁场问题，准备必要的理论基础。

为了适应学生的工程能力培养的需要，在教学内容的设置上充分注重分析问题和解决问题的方法及手段的训练。在原有的内容基础上增加电磁场的规律在工程实践中的实际应用知识、典型例题和解题思路。如在时变电磁场介绍微波炉加热食物的原理，电磁波极化在雷达天线中应用，在均匀平面波的反射与折射部分介绍光纤通信中光纤的导光机理等。通过每章节中实际应用例子及例题的讲解，吸引学生的注意力，提高学生分析问题、解决问题的能力。

2.教学方法与手段改革

针对电磁场理论课程较难掌握的特点，从如何提高课堂教学质量和如何更好地培养学生的工程能力和创新能力出发，在教学中逐步形成多样化教学方法与教学手段，强化场与波的基本概念及其在工程中的应用，并充分注重分析问题和解决问题的方法及手段的训练，达到创新型人才的培养目标。

第一，学习兴趣的培养。在教学中通过各种方法充分调动学生的学习积极性，引导学生认识课程的重要性，把学生的主观能动性发挥出来。由于电磁场理论课程理论深奥，因此调动学生对本课程的学习兴趣非常重要。在教学开始的绪论课上介绍电磁场理论的重要性和广泛的应用，如电磁场（或波）作为当今世界最重要的能量形式，是人们日常生活用到的主要能源。电磁波作为信息的载体，更是当今社会传播信息和获取信息的主要手段。电磁波在军事上也有重要的应用，如雷达、电磁干扰等。

第二，可视化手段的应用。在教学过程中，进一步丰富完善多媒体课件，对疑难知识点采用多种方式、多种媒体、从多个不同角度进行讲解，使学生理解透彻。在教学手段上，注重传统教学与多媒体教学相结合。利用多媒体课件和Flash对电磁场理论课程的重难点内容采用直观、生动和形象的多媒体动画进行演示，把抽象的概念形象化，加强学生对基本概念的理解与掌握。如在介绍电磁波的极化时，可以通过Flash将电磁波的不同极化状态进行立体演示，方便学生理解和掌握。

第三，对比式教学的应用。根据电磁场的电场与磁场的相似性和对偶性，在教学过程中注重启发学生对电场和磁场的概念、规律及分析方法等进行对比分析，使学生更深刻地认识和理解电磁场的基本规律，同时掌握电磁场问题的分析方法。如静电场与恒定电场的对比、静电场与恒定磁场的对比、电磁波在导电媒质与非导电媒质中的传播特性的对比，平行极化波与垂直极化波对介质分界面斜入射时的对比等。

第四，互动式教学的应用。教学过程中采用回忆式提问、理解式提问、应用式提问等互动方式，引导学生积极主动思考，由被动学习变为主动学习。根据教学内容，适时组织一些讨论、思考活动，教师针对学生在讨论中反映出的问题进行适当的引导和讲解。充分调动学生的学习积极性，促进学生分析、思考、解决问题能力的培养。在教学过程中注重采用课堂提问、课堂小练习等方法对所学知识进行巩固。

第五，创新意识的培养。在教学过程中，结合实际应用介绍电磁场的基本概念和规律，注重创新意识和创新能力的培养。如在教学过程中提出一些问题，让学生边学习、边思考，如在讲到不同介质的边界条件时，让学生思考如何利用电磁参数不同的介质层，设计出性能优良的电磁波吸收材料，使其能用于军用隐形飞机涂层。在讲解均匀平面波的全反射时，让学生思考如何设计两种介质的电磁参数，使电磁波能被约束在其中一种介质中传播等。

第六，网络教学。在教学过程中，充分利用计算机网络资源，逐步建立较完善的网络课堂，为学生创建自主学习的环境。学生可通过多媒体网络课件进行自学和通过习题库进行自测，达到课前预习、课后复习的目的。借助多媒体网络课件，学生的自学、自测基本不受时间和地点的限制，方便了学生的自主学习。同时，利用仿真软件将很多抽象、难以理解的问题直观地表现出来，以提高学生的学习兴趣，达到很好的教学效果。

第七，强化实践环节。结合本课程内容，设计实验项目，通过实验过程，加深学生对本课程基本理论和基本方法的理解，使学生了解常用仪器设备的使用和操作方法，增强学生的实验技能和基本操作技能，在提高学生学习电磁场理论课程兴趣的同时，有效培养和提高学生的动手能力和理论知识的工程应用能力。鼓励学生积极参与教师的科研工作，通过科研促进教学，加深学生对所学知识的理解，提升学生对所学知识的综合应用能力。

三 结束语

通过以上实践探索，笔者认为在教学中采用多样化的教学方法与教学手段，激发了学生的求知欲，提升了学生的学习兴趣。工程实例在教学中的引入，培养了学生的工程能力和创新能力。通过科研促进教学，提升学生的综合能力。已有多名学生申请并成功获得教育部大学生创新创业训练计划项目。

参考文献

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知识与技能：

1.了解无线电波的波长范围.

2.了解无线电波的发射过程和调制的简单概念.

3.了解调谐、检波及无线电波接收的基本原理.

过程与方法：

通过观察总结了解无线电波的基本应用，了解现代技术的应用方法，学会基本原理.

情感、态度与价值观：

通过对无线电波应用原理的基本认识感悟科学技术的价值和重要性.端正科学态度，培养科学的价值观.

二、教学重点

对本节基本概念的理解.

三、教学难点

对调谐的理解，无线电波发射与接收过程.

四、教学方法

演示推理法和分析类比法.

五、教学用具

信号源，示波器，收音机，录音机，调频发射机，计算机多媒体，实物投影仪等.

六、教学过程

（一）引入新课

师：在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要，无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系，都离不开电磁波．在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波，那么无线电波是怎样发射和接收的呢？这节课我们就来学习电磁波的发射和接收.

（二）进行新课

1.无线电波的发射

师：请同学们讨论，在普通LC振荡电路中能否有效地发射电磁波？（学生讨论.）

生：在普通LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部.在电磁振荡过程中，电场能和磁场能的相互转化主要是在电路内部完成的，辐射出去的能量很少.不能有效地发射电磁波.

师：有效地发射电磁波的条件是什么？（学生阅读教材有关内容.）

师生总结：

要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件：

（1）要有足够高的振荡频率.

（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去.

师：如何改造普通的LC振荡电路，才能使它能够有效地发射电磁波？（引导学生讨论.）

（师生一起讨论后，引出开放电路的概念.将闭合电路变成开放电路就可以有效地把电磁波发射出去.）

如图1所示，是由闭合电路变成开放电路的示意图.

师：无线电波是由开放电路发射出去的.

讲解：在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接.跟地连接的导线叫做地线.线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线.天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的.电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远.实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图2所示.

振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射．

师：发射电磁波是为了利用它传递某种信号.例如无线电报传递的是电码符号，无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像.这就要求发射的电磁波随信号而改变.电磁波是怎样传递这些信号的呢？

讲解：在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去.把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制.

进行调制的装置叫做调制器.要传递的电信号叫做调制信号.

使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅（AM）.

使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频（FM）.

图3是调幅装置的示意图．接在振荡器和线圈之间的话筒就是一个最简单的调制器，由声源发出的声音振动使话筒里的碳粒发生时松时紧的变化，它的电阻也发生时大时小的变化.所以，虽然振荡器产生的是高频等幅振荡电流，但是线圈通过的却是随声音而改变的高频调幅电流．由于线圈的互感作用，从开放电路中发射的也是这种高频调幅电流.这种电磁波叫调幅波.（多媒体演示：调幅波.）

（用示波器观察调幅波形.）

2．无线电波的接收

师：处在电磁波传播空间中的导体，会产生感应电流，导作中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同，因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波，这样的导体就是接收天线.

在无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波.

讲解：世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通讯设备，它们不断地向空中发射不同频率的电磁波，这些电磁波强弱不等地弥漫在我们周围.如果不加选择地把它们都接收下来，那必然是信号一片混乱，分辨不清，达不到我们传递信息的目的.所以，接收电磁波时，首先要从诸多的电磁波中把我们需要的选出来，通常叫做选台.这就要设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强.在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强.这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振.

（用示波器观察电谐振波形.）

师：接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路.

如图6是收音机的调谐电路.调节可变电容器的电容来改变调谐电路的频率，使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同，这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了这个电台.（演示调谐过程.）

讲解：收音机接收的经过调制的高频振荡电流（对应图讲解），这种电流通过收音机的耳机或扬声器，并不能使它们振动而发声，为什么呢，假定某一个半周期电流的作用是使振动片向某个方向运动，下一个半周期电流就以几乎同样大的作用使振动片向反方向运动.高频电流的周期非常短，半周期更短，而振动片的惯性相当大，所以在振动片还没有来得及在电流的作用下向某个方向运动的时候，就立刻有一个几乎同样大的作用要使它向反方向运动，结果振动片实际上不发生振动．要听到声音，必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，使扬声器(或耳机)中的动片随声音信号振动.

从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程，叫做检波.检波是调制的逆过程，因此也叫解调.由于调制的方法不同，检波的方法也不同.检波之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到了.

下面介绍收音机中对调幅波的检波.

图7是晶体二极管的检波电路，是利用晶体二极管的单向导电性来进行检波的.调谐电路中产生的是经过调幅的高频振荡电流，L1和L2绕在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上产生的是高频交变电压．由于二极管的单向导电性，通过它的是单向脉动电流，这个单向脉动电流既有高频成分，又有低频的声音信号，高频成分基本从电容器C（复习旁路电容器）通过，剩下的音频电流通过耳机发声.（用示波器观察检波过程）实际上就是一个晶体二极管收音机的电路图.这种收音机声音很小，只能用开机收听本地电台.为了提高收音机的接收性能，需要用放大器把微弱的信号放大.图8是加有放大器的收音机方框图.由天线和调谐电路接收到的高频调幅电流，先通过放大器进行高频放大，然后进行检波和低频放大，放大后的音频电流输送到喇叭，使它们发出声音.

下面我们通过调幅和调频两种方式，来看看无线电波发射和接收的全过程.

（1）调幅发射和接收.（实验演示.）

（2）调频发射和接收.（实验演示.）

比喻：

高频电流火车 音频电流货物

调制发射传播调谐解调

装货出站运行进站卸货

师：我们再来看一下无线电波的分段.（投影.）

（三）课堂总结、点评

本节课主要学习了以下内容：

1.电磁波的产生和发射条件.

2.开放电路的结构和特点.

3.电磁波的发射过程和接收过程.

七、课后作业

完成P92“问题与练习”中的题目.阅读P91“科学足迹”.

预习下一节：电磁波的发射和接收.

八、教学体会

思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木.学生素质的培养就成了镜中花，水中月.

附：巩固训练

1.电磁波的调制有哪两种方式？

2.什么叫电谐振？

3.调谐过程中，若接收同一波段内的不同信号，通常是改变电路中哪个元件的值？

4.发射电磁波为什么要用开放电路？

5.接收电磁波信号时，为什么要调谐？

6.调谐电路中可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到某较高频率电台发出的电信号，要收到该电台的信号，应该怎么办？

A．增加调谐电路线圈的匝数 B．加大电源电压

C．减少调谐电路线圈的匝数 D．减小电源电压

参考答案：

1.电磁波的调制有调幅和调频两种方式.

2.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫电谐振.

3.调谐过程中，通常是改变调谐电路中电容器的电容.

4.振荡电路要有效地向外发射电磁波必须具备两个条件：（1）有足够高的振荡频率.（2）振荡电路的电场和磁场要尽量分散到大的空间，只有开放电路才能满足这两个条件，因此，发射电磁波要使用开放电路.

5.在空间里有大量的不同频率的电磁波传播.要接收到其中某一频率的信号，必须使这一信号在接收电路中引起电谐振，因此必须进行调谐.

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作者简介：张平娟（1981-），女，安徽怀远人，安徽科技学院机电与车辆工程学院，讲师。（安徽　蚌埠　233100）

基金项目：本文系安徽科技学院教研项目（项目编号：X201095）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）30-0048-01

一切电现象都会产生电磁场，而电磁波的辐射与传播规律更是一切无线电活动的基础。电磁场与电磁波广泛应用于现代电子通信技术领域。“电磁场与电磁波”是多种学科的交叉点，它不仅是微波、天线、电磁兼容的理论基础，而且各种现代通信方式，如光纤通信、移动通信、卫星通信以及电视、雷达等各种专门学科都是以电磁波携带信息的方式来实现的。广泛应用的超小超薄的大规模集成电路更是充满了电磁场的问题。由于“电磁场与电磁波”是众多学科的理论基础，从而成为相关专业课程建设非常重要的环节。

“电磁场与电磁波”课程理论性、系统性很强，逻辑严谨，学习它不仅可以获得场和波的理论，而且有助于培养正确的思维方法和分析问题的能力。

但是就是这样一门课程历来被公认为是一门难教、难学的课，电磁场与电磁波课程教学现状：电磁场与电磁波课程主要涉及电磁场的源与场的关系，电磁波在空间传播的规律，电磁波的产生、辐射、传播、电磁干扰、电磁兼容以及电磁理论在各方面的应用。主要有以下几个特点：该课程理论性强，概念抽象，数学推导繁多；教学计划修订后该课程的教学学时被压缩，既要在教学计划学时内完成教学内容，这就会使每节课的上课内容增加；课程涉及的知识点多，包括时域、频域、空域和极化，相应的物理量需用复数来表示。这就要求学生有复变函数、矢量分析和场论的基本知识。

基于现状，笔者结合自身教学实践，就教学内容和教学方法的改进方面提出了一些见解，希望和同行进行交流。

一、教学内容优化

1.根据课程需要，合理进行学时分配

电磁场与电磁波是在公共课程大学物理基础上开设的，大学物理的下册电磁学理论部分已经包括了真空和介质中的静电场、恒定电流场和恒定磁场、电磁感应现象，并做了详细的讲解，对麦克斯韦方程组也进行了简单介绍。与“电磁场与电磁波”相比较发现两门课程在内容上有较多的重复，但是大学物理侧重于静态电磁场以及电磁场的物理性，应用对象以物理为主，而“电磁场与电磁波”在内容上有了较大的扩展，不仅包括静态场还有时变场以及电磁波的发射传播、传播和接收，更注重时变的场和波，应用对象以通信、电视、雷达遥感等和电磁波的发射、传输和接收相关的技术领域。在课程的讲解过程中还要根据实际情况调整各章节的学时，静电场部分在大学物理中详细介绍，在这里可以适当压缩，由于时变场是本课程的重点，应当增加学时，使学生能够更加深入理解电磁波传播的特性，掌握时变场的分析方法。无线传输的在现代自动化控制系统中的应用越来越广泛，这就使得电磁波的发射和接收成为其中主要的部件之一。天线是完成电磁波发射和接收的功能元件，因此应增加此部分内容的讲解力度，保证与后续的专业课程衔接。

2.注重矢量分析与场论知识的讲解

在课程的开始，教材一般会安排矢量与场论部分的知识，因为这部分知识是用来研究电磁场的重要工具。学生虽然在“电磁场与电磁波”课程之前也有过矢量分析、场论以及电磁场理论分析中使用的一些特殊函数，但是学得不够深，有的已差不多忘记，所以在介绍电磁场内容之前要把这部分知识讲透彻，这样才能使学生后面的学习轻松些，而不是开始就一头雾水，之后就完全跟不上。

二、教学方法探讨

教学过程是课程教学效果的关键。长期以来，对于“电磁场与电磁波”这样理论性较强的课程教学都是老师在台上讲、学生在下面听，为了在有限的课堂教学时间内完成教学计划的全部内容，教师基本上是满堂灌，但是实际效果往往不是很理想，就个人教学的实际得到一些教学方法上的体会。

1.教学手段更新

“电磁场与电磁波”之所以让教师感觉难教、学生感觉难学，是因为本课程基本上用数学语言来描述物理现象，讲解过程中用到拉普拉斯方程、泊松方程、散度、梯度、旋度等大量的数学知识。在传统的板书教学中，公式推导就会占用大量的时间，降低课堂讲授效率，也使得学生感到枯燥、乏味，而且板书教学不能把抽象的物理概念、模型很好地显示出来，现代多媒体技术能够弥补板书教学的缺陷。首先，可以把重要的理论推导事先通过公式编辑器编辑好，在上课时重点讲解难点，这样就可以节省了课堂时间，提高了效率。另外，还可以借助一些软件，比如MATLAB、FLASH来画点位分布、时变场分布图等，还可以进行一些仿真。把抽象的概念变得直观，增加了学生学习的兴趣。在教学上采用板书和多媒体的有机结合，使课堂教学快慢有序，更好地提高教学效果。

2.增加应用背景介绍

随着科技的发展，电磁场理论在工程实践、科学研究和家庭生活中应用越来越广泛，在教学的过程中若能有意识地利用好这些教学实例，在课堂上提出一些问题：飞机为什么可以隐身？微波炉为什么不能用金属器皿？短波收音机为什么在晚上收到更多的台、电磁炉的工作原理等，就可以让学生带着问题学习，充分认识课程的重要性，提高学习的主动性，让他们在理解基本点的同时激发学生学习的兴趣。另外，在教学过程中也可以让同学们通过一些实际应用课题及时了解学术动态，提高自学能力和学习效果。

3.简化数学推导，及时归纳总结

当学生拿到教材看到尽是数学推导时就会产生厌恶感，另外，有的同学会从高年级同学那里得知这门课程很“难”，便会在心理上排斥。针对这种情况，笔者采用的是简化数学推导、重思路分析和结果的方法。这样就不会有繁琐的数学公式推导。在教学内容上对一些知识点，比如恒定电磁场部分的静电场和恒定磁场以及恒定电流场、静态场中的极化和磁化、时变场的中的时变电场与时变磁场之间有些对偶知识点要及时总结归纳，并与相对应的一些知识点比较，这样可以增加记忆效果。

4.增加习题训练，提高分析能力

在教学过程中，经常会听学生说“老师上课讲的都懂，可是不会做题”，这是历届学生中普遍存在的现象。因为电磁场不是单纯的数学问题。在教学中老师要及时掌握学生的学习情况，并调整教学进度。讲解知识点的时候要及时进行总结，讲解例题并归纳解题方法，多做课后习题，及时辅导。电磁场这门课程还存在教学内容多而教学学时少的矛盾，可以借助网络来进行交流。

5.提高教师的自身素质和教学水平

在教学中提倡互动，但教师仍然是占主体地位的。只有教师的自身素质提高了才能有效地改善教学效果。首先，教师要热爱所从事的教育事业，把全部精力投入到教学工作中。教师要经常通过进修的方式提高自己的知识水平，通过和学生互动以及教师间的交流发现教学中的不足并能够及时改正。教师还应在教学中加强教学管理，不断地完善教学资料，建立习题和试题库，注重教学研究和与兄弟院校间的交流，不断地提高教学水平。

三、结束语

电磁场是电类专业的一门核心课程，教学过程特点鲜明，如何组织教学非常重要。教学改革就是要重点提高学生的学习兴趣，在内容上使复杂的问题简单化，方便学生理解，互动地组织教学，有效提高学生应用所学电磁场理论知识解决问题的能力。

参考文献：

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中图分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）04-0098-01

1 引言

射频电缆是无线电频率范围内传输信号和能量的电缆总称。射频同轴电缆是一种射频传输线。射频传输线还包括有波导、微带传输线等，它们是传输频率从几十兆赫到几千兆赫的射频信号的主要传输媒介。射频传输线广泛应用于各类无线电通讯设备、高频仪器仪表、微波通讯、通讯导航等设备中，作为传输信号和能量的主要信息通道。

铜包钢射频同轴电缆是采用铜包钢线作电缆内导体的电缆，用铜包钢导体代替纯铜导体用于射频、CATV同轴电缆中，可以在确保其导电性能的基础上，大大降低成本，减轻重量，因此这种铜包钢同轴电缆也越来越受到普遍重视。这种材料的相对导电率受到镀层厚度影响，镀层薄了，达不到导电率要求，导致信号衰减严重；厚了又使成本增加，造成浪费。另外由于高频电磁波信号在导体中传输存在“趋肤效应”现象，高频电磁波信号就集中在导体很薄的环表面传输，随着频率增大，有效传输表面的厚度就越薄，这种现象也同样限制了铜包钢电缆某一频率下的有效应用。本文旨在通过对铜包钢导电性分析和对高频集肤效应透射深度计算分析以有助于精准设计铜包钢同轴电缆和有效应用，同时介绍一种比较实用的铜层厚度的测定方法。

2 集肤效应及透射深度计算

当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。所以当高频电流的集肤效应分析，当工作频率越高，电流越集中在导体表面流过，交变电流的实际电阻会越大，铜层实际有效截面积的减小。

我们用电磁波向导体中透入的过程加以说明，电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度δ。以平面电磁波对半无限大导体的透入推导出趋肤深度公式2.1

式中代表频率（赫），ρ代表导体的电阻率，μ代表相对导磁率。可见高频透入深度δ随着不同的工作频率，金属相对导磁率和电阻率而变化的。对于铜导线，其相对磁导率μ=1，电阻率ρ=1724微欧厘米，得到铜导线的趋肤深度见2.2。

表1o出了频率从1Mhz到10Mhz范围的镀铜导线的穿透深度对应数据：

3 铜包钢线的导电性分析

3.1 铜包钢物理模型

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中图分类号：G424 文献标识码：A

1 省内外相关研究现状分析

“卓越人才培养计划”要求学校培养出基础扎实、知识面宽、创新实践能力强、具有社会责任感、团队合作精神和卓越人才培养潜质的优秀学生。对于我校电信、电科专业学生而言，最好的平台之一就是利用好每一年一度的电子设计竞赛和物理创新大赛。而要想在各类大型竞赛中获得成绩，学生必需要有扎实的理论知识。其中电磁场与电磁波是高等院校通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。如何上好这门基础课，给同学们提供扎实的理论指导，是卓越人才培养计划必然要求。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，当代教育技术的发展，给电磁场与电磁波课程的学习带来新的春天。在新的教育理念下，探索信息技术与学科课程整合成为当前教育研究的一个热点内容。研究信息技术与电磁场与电磁波课程整合，对于整体优化教学过程，深化高等教育改革，增进学生的专业知识学习效果，提高学生的信息技术能力，培养学生的合作意识和创新精神具有重大的现实意义。作为一门探究性课程。我们将如何信息技术与电磁场与电磁波课程整合方面进行了初步的探讨。将“知识、能力、人格”的培养理念落实到具体教学环节中。推行启发式、探究式、讨论式、小制作等授课方式，将创新实践能力训练贯穿于课程教学之中。

2 课程教学改革研究对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义探究

（1）作为一门探究性课程，电磁场与电磁波课程是通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。它以麦克斯韦方程为根本基础构建电磁理论的知识体系，它研究自然界中电磁现象和电磁过程。近年来材料、光子晶体等领域的理论研究和材料研发的突破给经典电磁理论带来了勃勃生机。

（2）另一方面，电磁场与电磁波课程对于学生的动手创造能力的培养遗迹从事相关科学研究都具有基础性的重要意义，对于学习其它相关专业（如通信技术、电力系统、电子技术、激光技术、光学工程等）的课程也有重要影响。

（3）以多媒体技术和网络技术为核心的信息技术在教育领域中的应用是教育信息化的重要标志。通过电磁场与电磁波课程的探究教学与当代信息技术的整合与深化，使学生掌握电磁场与电磁波课程知识所涉及的相关科学方法，有效提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高学生知识拓展能力和自我学习能力。

3 课程教学探究的实施方案

3.1 具体研究对象和内容

（1）我们将采用传统板书、电子课件、网络和视频多种手段结合。课内讲授与课外讨论和制作相结合、基础理论教学与学科前沿讲座结合，基本理论训练与科研实践训练相结合。（2）针对电磁场与电磁波是理论基础课的特点，课堂教学主要采用探究式课堂教学法：即每节课突出一个主题，讲清论透；每个主题，通过多种形式的师生互动，及时了解学生的疑难问题和创造欲望。（3）鼓励和指导有能力的学生提早进入科研实践训练、参加各类科技竞赛。将学生撰写课程小论文融入教学全过程，从中选出有质量的项目进入科研实践训练。构建多样化应用型人才，培养应用型、复合型、技能型人才，增强毕业生就业能力；完成本课的预期目的。（4）电磁场与电磁波也是一门实践性很强的课程，其研究对象——场是区别于实物的物质形态，具有抽象的特征。为避免课程教学的数学化，我们将充分应用当代信息技术的优势，比如说应用视频教学资料增强学生的感性认识和动手能力，同时反过来应用于当代信息技术，充分发展学生的物理思维和物理探究能力。（5）我们将充分利用好点子竞赛等创新平台，促进电磁场与电磁波的教学。

3.2 课堂教学改革研究拟达到的目标

在课堂教学中，突出学生的参与性，使他们主动获取而不是被动接受科学结论，强调思维互动，使学生感觉电磁场与电磁波发人深思，不难入门。作为电磁理论基础的麦克斯韦方程是从大量个体电磁实验总结而得的“共性”规律。同时，电磁场与电磁波与其他物理学分支也具有“共性”和“个性”的关系。针对这一特点，教学中注意引导学生“相似性形象思维”，开展“抽象思维”，促成“顿悟思维”。学生感觉电磁场与电磁波思路清晰，容易理解。激发学生学习兴趣，经常采用课堂讨论，由学生提问，在教师引导下大家讨论，总结得出准确认识。由于分析“电磁场和电磁波”要在多维时空中抽象思维，课堂教学充分使用多媒体，尽力使用图像和色彩搭配，使学生建立正确的物理图像。

3.3 课堂教学改革研究拟解决的主要问题

（1）突出科学性和探究性。电磁场与电磁波探究式教学，强调学生能力的培养。教学中遵循“物理现象的发现—物理现象的描述—物理过程的分析—结果验证与实验测量”，再现科学研究过程，突出物理学实验性的特征。教学中注意知识拓展，充分联系实际应用和现代科技发展，提高了学生学习兴趣和毕业生就业的适应性。（2）重视物理思维和学生能力培养。课程教学中锻炼“相似性形象思维”，提高“抽象思维”，促成“顿悟思维”。采用多媒体手段、有效使用图示，帮助学生正确建立物理图像，认识物理过程。提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。培养他们的科学创新能力。（3）推进个性化教育。探究式教学可以使具有不同基础的学生各有所获。课程网站的建立和电磁场与电磁波论坛的开通，也将有效推动个性化教育的实施。

4 课堂教学改革研究的特色和应用价值及推广

4.1 特色

（1）通过网络解答学生的问题，及时了解学生的创造欲望。（2）通过课外阅读、讨论与讲座扩展学生视野，引导学生了解学科前沿发展动态，将有些问题安排给学生进行课外阅读和讨论，提高学生独立分析问题的能力。

4.2 创新点

（1）网络与视频教学可以扩展学生自主学习空间，有些问题通过播放视频，让学生可以直观地理解电磁现象基本规律的内涵。（2）多种形式的师生互动，可以了解学生的学习与创造欲望。（3）科研实践训练培养学生的探索精神和创新能力，从学生课程论文中，挑选有质量的项目进入科研实践训练。 鼓励和指导有能力的学生参加各级科研训练项目与科技竞赛。

4.3 应用价值及推广

（1）当代教育技术中网络视频教学提供了传统教学中所没有的优势。通过播放演示实验中的与电磁场与电磁波现象相关的视频资料，学生可以直观地理解这些现象及其物理内涵。（2）任课教师通过课后答疑和讨论、电子邮件、学生QQ群，解答学生的问题，了解学生的创造欲望，指导有能力的学生开展科研实践训练、参加各类科技竞赛。这种教学方式不仅对提高学生的理解能力、动手能力、创新能力都有相当好的效果，同时也可以促进本课程的教学改进也很有益。（3）同时这种教学模式还可以推广到其他物理类基础学科，对于改变传统的教学模式，增强教学效果以及学生的动手能力和知识理解都有很好的借鉴作用。

电磁场与电磁波是物理学发展比较成熟的一门学科，从电磁理论发展史看，章章节节中渗透着科学家的成功思想和方法，让学生了解并学习这一点，对于培养学生学习方法，培养学生的物理直觉和科学素质是十分有益的，这也是本课程教学的一个目的。本课程教学的基本要求是：使学生系统而深入地掌握静电场和静磁场理论，掌握电磁波的传播和电磁场辐射规律，并能够熟练运用知识分析和解决相关电磁问题。

参考文献

[1] 吴海江.科学原创与科学积累[J].自然辩证法研究，2002.18（5）：42-50.

[2] 孙秀英.全国科技创新大会在京举行[N].人民日报，2012-07-08.

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在岩溶隧道施工时，由于受工程地质条件和水文地质条件复杂多变性和目前勘查技术水平的影响，若不能预先了解隧道掌子面前方的不良地质情况（断层、破碎带、溶洞、暗河、软弱地层等）， 贸然施工极有可能带来无法预估的后果[1][2]。因此，在隧道开挖过程中，进行超前地质预报就显得尤为重要。

采用科学先进的隧道超前地质预报的手段有很多种，其中地质雷达以其分辨率高、快速经济，灵活方便，图像易识别和结果处理速度快的优点，以及减少隧道施工的盲目性，近年来在国内隧道施工中使用的较为广泛。

二、基本理论

（一）地质雷达工作原理

地质雷达是用频率介于106-109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法[3]。其工作原理如图一所示，高频电磁波以宽频带、短脉冲形式，通过发射天线送入地下，经过有电性差异的地下岩层或或目标体反射后返回地面，被接收天线所接收。该法称为电磁波反射定位探测法，因此遵循几何光学原理[4]。高频电磁波在介质中传播的时候，其波形、电磁场强度与路径将随所穿过的介质的电性特征和几何形态而变化。因此了解地层的基本信息特征，可以根据电磁波反射信号的振幅、时频、相位等特征进行分析。可大致确定地下界面或存在异常的空间位置及结构（见下图）。

（二）电池波的传播特征

地质雷达在探测过程中，雷达电池波可近似的认为它为均匀平面电池波。在其传播过程中，它的电池分量瞬时波动方程为[5]：

（三）地质雷达的探测方法

影响地质雷达的探测深度、分辨率以及精度的主要因素包括两方面。一是探测对象所处环境的电导率、介电常数等因素。二是主要与探测时所采用的频率大小、采样速度等有关。在实际应用中，采用恰当的方法技术，是探测成功与否的关键因素。

因掌子面和隧道围岩条件的不同，所以，井字形、十字形和一字形等是常用的布置形式，如情况特殊可密雷达测线条数和重复扫描来提高探测结果的精确性[6]。测量方式分为点测和连续测量。点测方式是通过电脑键盘发送信号触发指令给雷达主机，每按一次采集键便可采集一道数据，此后逐点移动天线，直至所有测线完成。连续测量方式是只需拖动天线，系统将依据扫描速度的设定自动采集数据，此种方法较简单，不用进行人工干预。

地质雷达是具有操作简单、经济、快速等优势，对地质灾害的反应较为明显，这主要体现在掌子面前方富水、溶洞、夹泥溶槽等。但是需要提出的是雷达，图像的解释具有多解性，电磁波的干扰因素也往往较多，因此，在实际应用过程中要注意以下几点：

1.隧道所在地区的区域地质构造需要仔细研究，分析出该地区不良地质体的类型、特点等。此外，现场数据的采集也很重要，对用物探设备进行超前地质预报有着指导意义。综合以上两点，可以等到精度较高的预报结果。

2.雷达图像具有多解性，在数据处理后期的解释应与测区实际的地质情况相结合，我们常常会遇到各种不同类型的干扰，不同类的的干扰在雷达软件解译出来的波形中也有不同的表现形式，因此，要想达到准确预报的目的，需注意排除图像中的干扰因素。

参考文献：

[1]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察，2004（1）：7-9，18

[2]吕乔森，罗学东，任浩.综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用[J].隧道建设，2009，29（2）：189-193

[3]白冰，周健.探地雷达测试技术发展概况及其应用现状[J].岩石力学与工程学报，2001，20（4）：527-531

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中图分类号：G424 文献标识码：A

“电磁场与电磁波”是世界各国大学电子类专业学生必修的一门技术基础课，它在培养学生坚实的理论基础及分析问题和解决问题的能力方面起着非常重要和积极的作用。并为后续课程：微波工程、射频通信电路、天线原理等打下基础。因为“电磁场与电磁波”理论性强，概念抽象，数学推导繁琐，历来被公认为是一门难教和难学的课程。

传统的教学形式都是采用整齐划一的班级授课制，很难关注学生的差异性，具有明显的弱点。针对学生的差异性，可行的办法是将班级授课形式与隐性分层教学结合起来，以班级授课为框架，以隐性分层教学为辅，使二者形成互补。

1 “电磁场与电磁波”的特点和教学现状

（1）“电磁场与电磁波”是一门理论性很强，概念抽象的课程，它要求数学基础扎实，物理概念强，同时学生还应该有一定的空间想象能力以及抽象思维能力乃至严密逻辑能力，一直以来大家都认为这是一门教学难教和学习难学的课程。

（2）因为学时紧张，电磁场与电磁波的学时数根据要求，已经由最初的64 学时减少到现在的48 学时。对教师如何在有限学时内如何讲授好这门课程提高了要求，学生既要掌握理论知识同时又要有相关应用能力，既要突出知识体系的完整性和基础性，又要注意理论与实际应用的结合，使学生易于接受。近几年，笔者对教学相关内容有了一定的调整， 在教学方法上逐渐多样化， 但课程本质上变化不大， 组织教学形式还是：分专业开设课程， 大课堂统一授课。 目前，这种常规教学形式逐步显现出一定的局限性。

2 “电磁场与电磁波”隐性分层次教学的针对性

2.1 分层次教学可以针对学生的个体差异性做到因材施教

目前，高校的扩招导致学生个体的基础知识差异日益明显，这种差异在电磁场与电磁波课程的教学中，主要体现在学生数学基础不一致，思维能力不同步，对电磁场与电磁波的理解及学习态度均有明显的不同。因此我们必须从实际情况考虑，做到因材施教，授课内容循序渐进，使不同层次的学生都能在自己原来的基础上逐步提高，达到教学目的。

2.2 分层次教学同时针对学生的就业选择

学生将来就业的选择意的不同能影响其个人的学习主动性， 进一步会影响其爱好和兴趣。在电磁场与电磁波的教学中， 我们考虑到学生对课程的要不同求， 部分学生因为兴趣爱好或者因为需要考研进而想多学一些，他们了解21世纪是科学技术发展的信息时代，所以我们可以把国内外的先进通讯技术、射频集成电路以及微波和毫米波技术方面的学术进展、专家们的精辟见解和分析方法传授给这部分有需要的学生，另外部分学生些对电磁场不感兴趣或者认为电磁场与将来的职业选择不相关，因而只想拿到绩点和学分，我们也必须让学生了解到“电磁场与波”课程是上述技术的基础，它是架设于“路”的课程与“场”的课程的一座理论桥梁。

3 分层次教学在电磁场与电磁波课程的具体实施

3.1 分层学生

A层目标：数学基础薄弱，能识记并理解所学的物理量概念、公理、定理法则基础知识，能直接应用所学知识进行简单运算。B层目标：在上这基础上，能进一步掌握所学知识，应用所学知识解决较简单的实际问题。C层目标：在前两层目标的基础上，学会应用有关电磁波知识能拓展学习微波相关知识，独立地分析和解决一些综合性的问题和实际问题。

3.2 分层备课

要给学生一杯水，教师首先要有一桶水备好课是上好课的关键。根据学生的不同层次，因为我们要因材施教，明确层次性，确立不同层次的教学目标。在电磁场与电磁波备课时，要特别理解教学大纲的要求，对于教材要精通，着重对学生进行分析，找出不同层次的差异，进而进行分层训练。同时更要立足于所有学生，使大多数学生达到我们要求的目标；同时考虑目标的差异进而弹性设计目标要求，建立整体目标要求以及各层次每个单元的教学目标。

3.3 分层授课

根据不同层次学生的个体差异，对于班内的各种不同层次的不同要求，在授课时要实施隐性分层。在我们授课的时候，根据不同难度的例题和习题对不同层次的学生提问、同时根据不同难度知识点的，对不同层次的学生讲授。在教学过程中一般采取集体教学，分组教学和个别教学相结合的方式，不同的组提出了不同层次的要求，对学有余力的学生提出特别要求，进度比一般同学稍快一些，学习内容稍深一些。

3.4 评价分层

我们考虑的隐性分层评价是面对不同层次的学生的学习水平，给予合理的实事求是的评价。主要目的是，给予学生学习的自信心。

4 采用分层次教学后的效果

在隐性分层教学开展的这几年，课程组积极开展教学研究、集体备课、教学讲评、观摩教学等活动，针对学生分层的可行性、教学目标分层的深入及准确性进行研究探讨以及实践，几年下来，教学有了一定的效果。

在没有开展隐性分层教学以前，学生成绩分布很广，优秀和不及格人数都占有一定比例，下面是在进行分层教学以前的电子信息工程专业2006级一个班级成绩分布：参加考试人数：35人， 90～100分： 1人；80～90分：3人；70～80分：9人；60～70分：10人；60分以下：12人，平均分：62.7，标准差：16.2。

同年，我们开始在学院内部进行隐性分层教学，我们根据学生之间的性格特点、认知基础差异等因素作为参考，来对学生划分层次。保证各个层次的学生在一些方面具有大致相同的特点，以便于我们有针对性有目的地进行教学，在探索中前进， 我们的努力逐渐成效，学生成绩有所提高，剔除一些其它客观因素，在同一个专业，同一个教师授课的前提下，能看到学生的标准差明显缩小，隐性分层教学取得了一定的教学效果，下面是电子信息工程专业2009级一个班级成绩分布：参加考试人数：31人， 90～100分： 2人；80～90分：8人；70～80分：11人；60～70分：10人；60分以下：0人，平均分：74.5，标准差：8.8。

今后我们更要总结可用于电磁场与电磁波教学的例子，对学生进行隐性分层，便于课堂教学和目标分层，教师对教学内容深入研究、精心设计，结合班级不同层次学生的实际情况，制定分层教学目标，使不同层次的学生各得其所，各展所长充分发展，以此来优化课堂教学结构， 完善“电磁场与电磁波”课程隐性分层教学模式，使隐性分层教学得到进一步推广。

参考文献

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目前我国高校电子信息类专业的大部分都开设了《电磁场与电磁波》［1］课程，它是一门理论性很强的专业基础课，通过该课程的学习，可以为学生以后从事射频与微波技术技术、无线通信、天线理论与设计、电磁散射与逆散射、光通讯，以及微波通信、生物医学微波成像、微波遥感及电波传播等方面的相关工程研究打下基础。然而该课程复杂、物理概念抽象、理论性强，学生往往因缺乏感性认识，不易理解，感到难学，所以只靠课堂讲授很难收到预期的教学效果。

“深化教育教学改革，全面加强大学生素质和能力培养”［2］是21世纪人才培养的要求，也是教育系统适应我国现阶段的形势必须采用的方针战略。笔者根据目前江苏大学通信工程专业本科生教授介绍了《电磁场与电磁波》的研究对象及基本内容，通过实施电磁波理论的多方位、多层次的教学改革，将课堂激励式教学、计算机多媒体教学、实验室教学等多种手段和方式相结合，进行了《电磁场与电磁波》整体教学方案的多方位教学改革的尝试。

一、《电磁场与电磁波》课程教学现状及目前存在的基本问题

《电磁场与电磁波》课程是我校通信工程及其它电子信息类专业开设的一门重要的专业基础课，原来课时设置60学时，后来根据教学实际情况增加到75学时。但目前的课程内容没有大的改动。课程内容为：矢量分析，静态场，恒定电流场，恒定磁场，时变电磁场和平面电磁波。电磁场的物理概念抽象，难于理解。前期“电路”方面的课程基本上讲的是时间的一维函数，而电磁场中的场量都是时间、空间上的矢量函数，需要建立矢量场的概念。此外，微积分、矢量分析、数理方程等数学理论是研究电磁场的语言和工具，扎实的数学基础是学习电磁场的必备条件。

笔者在教学中发现目前存在以下方面的基本问题。1.在学习《电磁场与电磁波》课程过程中，学生常常难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好地结合。在学习《电磁场与电磁波》之前，学生一般都具备矢量场论的基本知识，但是在学习《电磁场与电磁波》的过程中却难以将所学知识与电磁场理论融会贯通、学以致用。还有许多学生数学基础薄弱，学习起来倍感吃力。2.在电磁场教学过程中，学生常常反映电磁场课程内容多、公式多、理论性强，很难理出头绪，或者课堂上听不明白，而且课后怕做习题，对课程学习没有兴趣。3.电磁场弥漫于空间，看不见摸不着，在理论教学过程中，学生常感到电磁场太抽象，没有实感，从心理上对这门课产生畏惧。4.在学习《电磁场与电磁波》课程中，学生时常会遇到一些似是而非的东西，产生大量的疑难问题。

二、课程教学改革尝试

为了提高教学效果，我们做了如下几方面的探索。

1.理论联系实际，提高学生的学习兴趣。

我们要结合实际应用，讲述该课程的重要性。在目前以信息科学为代表的新技术革命席卷全球，电磁场与微波作为信息载体，无疑处于这场革命的漩涡中心。例如，微波频段的移动通信的大力发展极大地改变了现代人类的生活，使手机成为人类生活的一部分。还有微波能的普及，极大地方便了人类的物质生活。另外，现代技术战争，已经是“陆、海、空、天、电磁”5位一体的联合作用。“制电磁权”成为继“制海权”、“制空权”之后战争双方极力争夺的新的制高点。通过这方面的介绍和学习，学生认识到这门课的重要性，并且认识到自身的历史使命感，从而增加了学习这门课的动力。

2.教学与科研结合，拓宽学生的知识视野，提高教学效果。

教学过程中，让学生了解最新前沿研究课题，了解最近科研动态，使学生明确当前及今后一段时间电子信息的研究热点与方向。如讲解“分层介质中的电磁波的反射及透射”时，可以结合当前电磁隐身与反隐身的科学研究进行课程的讲授，使学生领会得更加透彻。另外，我们还可以结合科研工作的一些积累，讲解电磁波的极化特性，使学生深刻领悟极化的物理概念。改变传统的教学思想，具体而言就是要改变“大而全”和“满堂灌”的教学思想，在掌握好基本知识的基础上，引导学生从被动学习向主动学习转变。我们适时地向学生提出一些综合性和灵活性的问题，使课堂生动活泼，吸引学生的注意力。有意义的启发性的问题可使学生聚拢目光，积极思考，达到新的层次。

3.采用形式多样的教学手段，实现教学方法的优化结构。

我们利用计算机多媒体辅助教学，增加直观的课堂演示。通过直观演示，很容易引发学生的兴趣，目的在于使学生对所学知识加深理解和巩固，并能得以运用和发展，使知识、技能转化为能力，同时也可得到信息反馈，发现不足及时补救。比如“平面电磁波”等章节内容，是本课程的重点及难点，通过制作一维电磁波的动画效果进行课堂演示，使学生可以清晰地看到平面电磁波在一维空间中的传播情况，以及当遇到理想导体情形时的电磁波的反射情形，从而深刻理解驻波、半波损失等基本的物理理论；另外，还可以模拟电磁波在遇到多层介质时电磁波传输问题，让学生形象地理解电磁波行为。这些难点内容常会在学生脑海中萦绕，产生了很直观的认识，有助于进一步理解。

同时，在课堂教学外，还要结合实验室中的实验教学，让学生从实验的角度深刻理解电磁场与电磁波的理论，提高学生的动手能力。在实验中学生要养成认真细致的工作作风，训练敏锐入微的观察能力，结合理论基础分析实验现象能力，以及锻炼实际操作能力。

4.采取激励式教学方法，结合课外兴趣学习活动小组，提高教学效果。

利用教学评价机制，在学生的考核成绩中，按一定的比例，比如30%作为平时成绩。学生在课堂上主动积极地回答次数作为考核的机制，每次2分至5分。这样可以鼓励学生积极踊跃发言，活跃课堂气氛，提高学生学习的积极性和主动性；还可以吸引学生的注意力，提高课堂上的学习效率。

另外，我们还可以在课外组织学有余力的学生成立兴趣小组；引导他们利用课余时间去实验室，和研究生一起参加课题的研究，从中学习到课内没有的知识，从而不断地提高他们运用知识分析问题、解决问题的能力。

三、结语

《电磁场与电磁波》课程教学实践表明，课堂教学不但需要教师有渊博的理论知识及理论修养，还需要教师精心组织教学，激发学生的学习热情，提高教和学的质量，从而收到培养面向新世纪的合格人才的目的。通过这门课程的教改尝试，达到了激发学生的创新意识，促进学生对知识的理解和掌握，培养学生的创新意识的预期效果。总之，本课程是一门理论性很强的专业基础学科，如何搞好本课程的教学，还有待于进一步地探索及改革。

参考文献：

［1］冯恩信.电磁场与电磁波［M］.西安：西安交通大学出版社，2005.

［2］孙卉.试论启发式教学与创新教育［J］.徐州教育学院学报，2006，（4）：25-26.

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1 探地雷达的技术特点和发展概况

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR，又称地质雷达），是应用地球物理学的一个新的分支，用于公路检测始于20世纪80年代后期。探地雷达向地下发射宽带短脉冲高频电磁波，利用不同地下介质的电性特性及其分接口对电磁波的反射原理，通过分析反射电磁波的振幅、相位和频谱等运动学和动力学特征，来推断、识别地下目的体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。相较于钻孔取芯为代表的传统检测方法，探地雷达具有快速高效、无损、高精度、操作方便、检测内容丰富等特点，逐渐受到公路部门的重视，并在公路质量检测中得到越来越广泛的应用。近年来，探地雷达技术除了应用于常规的路面结构层厚度检测外，还能够预先圈定道路内部的脱空、裂隙、沉陷和严重疏松等病害隐患；结合专门开发的数据处理分析软件，可以定量检测公路路面结构的压实度、含水量等质量状况参数。公路养护部门通过探地雷达定期检测和分析，可以动态监控道路质量状况和发展趋势，及时制定科学合理的修补方案，有效缓解对道路运营所造成的影响，提高路上检测作业的效率和安全性，大大降低了因占道检测引发交通事故的几率。长远来看，采用探地雷达技术进行道路路面结构质量状况检测，具有广阔的市场前景及巨大的经济效益和社会效益。

2 探地雷达的检测方法和条件

2.1 检测方法

探地雷达检测技术是向地下发射具有定向性的高频电磁波，利用高频电磁波在地下不同介质界面处的电性阻抗差异产生的反射响应，通过地面雷达天线接收反射电磁波，并对初至、波形、波幅及波长等进行综合分析解释，以达到对路面各结构层内部质量检测的目的。由于观测方式不同，可分为连续反射波剖面法和点测剖面法。

2.2 检测条件

（1）检测必要条件

要求被检测的界面两侧介质之间存在着电磁波阻抗差异，对于磁铁性物质，因磁导系数，则要求界面两侧介质之间的介电常数存在着差异；被检测介质层具有一定的规模，其厚度要大于

，其水平宽度要大于有效波长对应的（第一菲涅尔带）。

（2）现场检测有利条件

1）路面比较平整，无障碍物、杂物等；

2）检测对象可视为理想介质；

3）探测深度较浅，反射波可获得足够的能量，避免机械振动的干扰；

4）路面各结构层为近水平层状介质，且有一定的厚度，介质上下界面两侧集料具有明显的介电性差异，并可作为探地雷达判别的标志层。

2.3 检测参数

配备屏蔽性雷达天线，天线频率：几十兆赫至几千兆赫，可根据实际探测深度和具体精度要求选配不同频率的雷达天线，一般采用400MHz～2GHz；发射脉冲重复速度：8～64kHz；采样点数：128、256、512、1024、2048；模数转换位数：16～32Bit；扫描长度：8～2000ns。

2.4 测线布置

测线布置的原则应根据检测的任务和要求、路况、现场条件来确定。对于进行公路路面结构层内部质量检测，主测线应布置在行车轮迹带上，此外，根据现场路面的具体情况可布置若干条辅助测线，当发现异常点时，要及时对测线加密，并在异常点处加布横向测线。如果采用的是点测方式，那么其点距还应满足式（1）：

（1）

其中，为工作频率，为介质相对介电常数。

3 探地雷达的数据处理

探地雷达数据处理包括预处理（标记和桩号校正等）和处理分析，其目的在于压制随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度、振幅和波形等）来帮助解释。

3.1 消除叠加干扰信号处理

对于有明显背景干扰的情况下可采用带通数字滤波方法，对于干扰信号不易识别的情况下，采用小波分析方法将取得较好的效果。

3.2 提高信号的分辨率处理

小波分析处理，可提高高频有效波信号目标；反褶积和小波奇异性分解可提高目标体边界的准确性，提高其垂向分辨率功能。

3.3 偏移处理

将绕射波归位于绕射点，提高倾斜反射界面和局部异常体的判别精度，消除地下局部异常体产生的绕射波叠加干扰。

4 不同路面病害的探地雷达响应特征

4.1 路面病害的电磁波响应特征

不同电性参数（介电常数、电导率等）、不同富水环境的道路基础介质，对电磁波速度和能量的影响不同。当产生反射波幅度局部明显增强或减弱，相位改变或波形明显变化、消失等异常图像，这些异常特征就是利用探地雷达技术对路面结构层厚度和缺陷进行检测的依据。从雷达时间记录剖面分析路面病害电磁波的响应特征，结果表明：

（1）不同形状的道路病害，其雷达反射剖面中的异常反射弧线并不相同，具有拐点特点的病害，则在拐点边界处存在着绕射现象，如脱空和疏松病害。

（2）病害填充介质与周围介质的电性差异越大，其雷达成像病害特征约明显。

（3）相同类型和规模的病害，如果电性参数不同，则在雷达剖面上反应的形状也是不同，即纵向时延是不同的，并且电导率越大，其振幅的吸收越明显。

（4）对于回填介质非均匀的病害，则其雷达剖面上病害区域内波形紊乱，存在较强的干涉现象，并且同相轴的相关性很差。

（5）对于脱空病害来说，当脱空区域小于等于0.08cm时，在雷达时间剖面上比较难以区分脱空的上下界面，但是可以根据极点幅值比来达到半定量解释脱空量的目的。

（6）水对雷达的成像特征影响较大，含水的脱空病害剖面图中具有较强的多次波存在，并且对脱空区域下面信号存在较强的干扰。

（7）发射频率越高雷达成像分辨率越高，图像越清晰；病害形状越大，雷达成像特征越明显。

4.2 典型的雷达异常图像

对于探地雷达图像的解释，就是通过标志层反射波的双程走，进行路面结构层厚度的计算，对所发现的间断、错动、分叉、明显弯曲等异常雷达图像，给予路面结构层内可能存在缺陷属性的定性解释。典型雷达异常图像见表1。

5 结束语