《地球物理場(chǎng)論》——地球物理學(xué)國(guó)家級(jí)一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)系列教材

地球物理學(xué)國(guó)家級(jí)一流專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)系列教材之一，科學(xué)出版社“十四五”普通高等教育本科規(guī)劃教材，《地球物理場(chǎng)論》現(xiàn)已正式出版發(fā)行。

本書(shū)共設(shè)置7章，即矢量分析、引力場(chǎng)、靜態(tài)電磁場(chǎng)基本規(guī)律、靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的解、時(shí)變電磁場(chǎng)理論、均勻平面波傳播和電磁輻射。針對(duì)每一地球物理場(chǎng)，皆遵循“從源到場(chǎng)，以力觀場(chǎng)，以勢(shì)求場(chǎng)”的認(rèn)知路徑和學(xué)習(xí)方法，聚焦地球物理場(chǎng)的空間分布與變化規(guī)律。此外，本書(shū)還增加專(zhuān)業(yè)“延伸閱讀”，體現(xiàn)與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程有序銜接；搭配地球物理場(chǎng)數(shù)值模擬二維碼，實(shí)現(xiàn)地球物理場(chǎng)的可視化教學(xué)；增加“科學(xué)家史話(huà)”內(nèi)容，以科學(xué)家的理論探索故事為核心，展現(xiàn)其攻堅(jiān)克難的研究過(guò)程與求真求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，幫助讀者夯實(shí)科學(xué)認(rèn)知、提升科學(xué)素養(yǎng)。

責(zé)任編輯：焦健 jiaojian@mail.sciencep.com

地球物理是探索地球奧秘、勘查資源能源、服務(wù)工程建設(shè)的重要技術(shù)手段；場(chǎng)論是支撐地球物理探測(cè)理論與方法的基石。作為地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，其教學(xué)成效直接關(guān)系到專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量和學(xué)科發(fā)展的后勁。

“場(chǎng)論”課程涵蓋引力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、電磁波等方面，內(nèi)容廣博精深。現(xiàn)有的場(chǎng)論教材教育了一代又一代的學(xué)生，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)夯實(shí)了基礎(chǔ)。面對(duì)學(xué)科發(fā)展新趨勢(shì)和教育教學(xué)新要求，亟須對(duì)場(chǎng)論教材進(jìn)行更新迭代，創(chuàng)新模式。譚茂金、金勝等教授近年來(lái)啟動(dòng)編著《地球物理場(chǎng)論》教材，在繼承經(jīng)典場(chǎng)論知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，銳意創(chuàng)新，打造了一部方法理論體系完整、地球物理特色鮮明、具有信息時(shí)代氣息的優(yōu)秀教材。翻閱書(shū)稿，其亮點(diǎn)與特色令人欣喜：

(1)厘清場(chǎng)論體系，注重講授思路。教材精心設(shè)置內(nèi)容，從引力場(chǎng)到電磁場(chǎng)，從電流到熱流場(chǎng)，從靜態(tài)場(chǎng)到時(shí)變場(chǎng)，內(nèi)容既有平行類(lèi)比，又有層層遞進(jìn)，力求體系完整；場(chǎng)的類(lèi)型從分布型到邊值型，場(chǎng)的求解從積分方程到微分方程，分門(mén)別類(lèi)；全書(shū)“從源到場(chǎng)，求場(chǎng)溯源”，講授思路與學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)融合。

(2)面向?qū)I(yè)需求，注重有效銜接。教材深刻認(rèn)識(shí)到“場(chǎng)論”作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的核心地位，創(chuàng)新性地設(shè)置“專(zhuān)業(yè)延伸內(nèi)容”。這不僅有效化解了理論知識(shí)的抽象感，更為基礎(chǔ)理論與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程之間架設(shè)了橋梁，使學(xué)生能切實(shí)感受到場(chǎng)論在地球物理探測(cè)中的價(jià)值。

(3)革新教材形態(tài)，注重理論呈現(xiàn)。教材積極擁抱現(xiàn)代教育技術(shù)，通過(guò)二維碼嵌入和可視化手段，將抽象、復(fù)雜的場(chǎng)論概念和理論利用數(shù)值模擬直觀、生動(dòng)地呈現(xiàn)出來(lái)。這種“可視化”范式能夠極大地增強(qiáng)教材的吸引力和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是教材形態(tài)現(xiàn)代化的成功探索。

(4)融入思政元素，注重科學(xué)思維。教材面向課堂傳授、思政育人的教學(xué)新要求，匠心獨(dú)具“科學(xué)家史話(huà)”欄目，是教材的一大亮點(diǎn)。在傳授知識(shí)的同時(shí)，采用“潤(rùn)物無(wú)聲”方式講述相關(guān)科學(xué)家的探索故事，潛移默化地進(jìn)行科學(xué)精神、創(chuàng)新思維和家國(guó)情懷的培育，是將課程思政融入專(zhuān)業(yè)教學(xué)的典范。

該教材入選科學(xué)出版社“十四五”普通高等教育本科規(guī)劃教材，恰逢其時(shí)，為夯實(shí)地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)提供了系統(tǒng)、精良的教學(xué)資源。我相信，通過(guò)該教材在內(nèi)容設(shè)置、方法思路和形態(tài)展示等方面富有成效的創(chuàng)新探索，能夠很好地完成傳授經(jīng)典場(chǎng)論知識(shí)的任務(wù)。希望廣大師生能善用該教材，深入理解地球物理場(chǎng)的真諦，為地球物理專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)、科技創(chuàng)新打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

總之，《地球物理場(chǎng)論》是一部體系完整清晰、專(zhuān)業(yè)特色鮮明、教學(xué)方法先進(jìn)、育人導(dǎo)向突出的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課教材。我相信，該教材的出版能夠顯著提升專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，對(duì)我國(guó)新時(shí)代地球物理高等教育具有積極推動(dòng)作用。同時(shí)，也期望編寫(xiě)團(tuán)隊(duì)能持續(xù)關(guān)注學(xué)科前沿和教學(xué)改革動(dòng)態(tài)，不斷修訂完善，使這部教材始終保持旺盛的生命力和引領(lǐng)性。

中國(guó)科學(xué)院院士

2025年7月于北京

前 言

地球物理場(chǎng)是地球物理探測(cè)的重要研究對(duì)象，是地球物理探測(cè)技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)礦藏勘查與解釋的關(guān)鍵。地球物理場(chǎng)分為位場(chǎng)和波場(chǎng)兩大類(lèi)，前者包括靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、穩(wěn)恒電流場(chǎng)、引力場(chǎng)、熱場(chǎng)及核輻射場(chǎng)等，后者包括電磁波場(chǎng)和彈性波場(chǎng)。這些地球物理場(chǎng)均是存在于自然界的一種形式，具有能量。

“地球物理場(chǎng)論”是地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)(勘查技術(shù)與工程，地球物理學(xué))學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其中大部分內(nèi)容也是電氣工程、通信傳輸專(zhuān)業(yè)、無(wú)線(xiàn)電工程的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是在“高等數(shù)學(xué)”“普通物理學(xué)”和“數(shù)學(xué)物理方程”等課程后進(jìn)行講授。本門(mén)課程所用教材《宏觀場(chǎng)論》已用多年，迫切需要進(jìn)行修訂。本書(shū)的編寫(xiě)除參照兄弟院校的課程外，還吸取了電信類(lèi)院校教材的優(yōu)點(diǎn)。本書(shū)共7章，即矢量分析、引力場(chǎng)、靜態(tài)電磁場(chǎng)的基本規(guī)律、靜態(tài)電磁場(chǎng)邊值問(wèn)題的解、時(shí)變電磁場(chǎng)理論、均勻平面波的傳播和電磁輻射。除預(yù)備知識(shí)矢量分析外，前三章為靜態(tài)或穩(wěn)定場(chǎng)，后三章為時(shí)變場(chǎng)。在本門(mén)課程的編寫(xiě)和講述中，類(lèi)比法、比較法貫穿始終。為了保持體系的條理性，將引力場(chǎng)放到了靜電場(chǎng)的前面，也可以在學(xué)完靜電場(chǎng)后進(jìn)行對(duì)比講述。熱場(chǎng)也是一種重要的地球物理場(chǎng)，其特征與穩(wěn)恒電流場(chǎng)類(lèi)似，因此在講述完穩(wěn)恒電流場(chǎng)之后采用類(lèi)比的方法對(duì)其進(jìn)行闡述和學(xué)習(xí)。由于彈性波場(chǎng)內(nèi)容多，自成體系，在地球物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)中作為該課程的平行課程“彈性波理論”單獨(dú)講述。

通過(guò)本教材可以學(xué)習(xí)地球物理場(chǎng)的相關(guān)理論、規(guī)律以及場(chǎng)的解析解求解方法，為專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。研究生階段主要學(xué)習(xí)有限元、有限差分等數(shù)值解求解方法，結(jié)合地球物理探測(cè)原理實(shí)現(xiàn)地球物理場(chǎng)的數(shù)值模擬，研究場(chǎng)的特征，為地球物理儀器研發(fā)與地質(zhì)解釋提供重要依據(jù)。

本課程在多年講授過(guò)程中，每個(gè)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)或者定理的誕生背后都有一段科學(xué)探索的勵(lì)志故事，其中科學(xué)家們之間的交流思考、探索過(guò)程對(duì)學(xué)生也具有很大啟發(fā)與教育。為此，編者在每章結(jié)束后增加了“科學(xué)家史話(huà)”，選擇的科學(xué)家與本章內(nèi)容密切相關(guān)，既介紹科學(xué)家在物理學(xué)的卓越成就，又介紹他們的成長(zhǎng)和學(xué)習(xí)過(guò)程，既學(xué)習(xí)了知識(shí)和創(chuàng)新探索的過(guò)程，又增加了趣味性和勵(lì)志教育，是課程思政的一種探索。

此外，本書(shū)的編寫(xiě)還進(jìn)行了一些改革與創(chuàng)新。一是注重加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)聯(lián)系。在章后增加“專(zhuān)業(yè)延伸內(nèi)容”，讓枯燥內(nèi)容與后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程有序銜接，既滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的好奇心，又讓學(xué)生切實(shí)感受到“場(chǎng)論”內(nèi)容與專(zhuān)業(yè)的密切聯(lián)系。二是創(chuàng)新教材形態(tài)。優(yōu)選每章例題，開(kāi)展課內(nèi)或課外數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，以可視化范式呈現(xiàn)地球物理場(chǎng)的特征。另外，本書(shū)中增加了數(shù)值模擬及可視化二維碼，通過(guò)掃一掃就可以學(xué)習(xí)場(chǎng)的特征、波的動(dòng)態(tài)傳播，增加了趣味性和生動(dòng)性。

均勻長(zhǎng)方體引力場(chǎng)數(shù)值模擬及其可視化

均勻球體引力場(chǎng)數(shù)值模擬及可視化

均勻圓柱體引力場(chǎng)數(shù)值模擬及可視化

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可供高等院校地球物理學(xué)、勘查技術(shù)與工程、智能地球探測(cè)等專(zhuān)業(yè)作為教材選用，也可供工程技術(shù)人員參考。

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本文摘自科學(xué)出版社2025年9月出版《地球物理場(chǎng)論》一書(shū)，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：焦健 jiaojian@mail.sciencep.com）

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