矢量场的环量及旋度

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一、场的概念：,具有某种物理性质的物理量在空间的分布；,在数学上用函数表示.,二、场的分类：,2.1,场,即：场是一个标量或一个矢量的位置函数,即场中任一个点都有一个确定的标量值或矢量.,三.,数(标)量场,1、定义,空间某一区域定义一个,标量函数,其值随空间坐标,的变化而变化，有时还可随时间变化。,举例：,为标量场,2、标量场的,-,等值线(面),.,其方程为,等值线,四、矢量场,1、定义：,空间某一区域定义一个,矢量函数,其大小和方向随空间坐标的变化而变化，有时还可随时间变化。则称该区域存在一矢量场。如速度场,电场、磁场等.,举例：,为矢量场,2、矢量场的,矢量线：特点：曲线上每一点处，曲线都和对应于该点的矢量,A,相切,矢量线,三维场,在直角坐标下:,二维场,3、矢量线方程,第二节 矢量场的通量 散度,一、矢量线（力线）,矢量场的通量,二、矢量场的通量,矢量线的疏密表征矢量场的大小；,矢量线上每点的切向代表该处矢量场的方向；,若,S,为闭合曲面,若矢量场 分布于空间中，在空间中存在任意曲面S，则定义：,为,矢量 沿有向曲面S 的通量。,物理意义：表示穿入和穿出闭合面S的矢量通量的代数和。,讨论,1）面元 定义；,2）穿过闭合面的通量,3)通过闭合面S的通量的物理意义：,a)若 ，闭合面内有产生矢量线的正源；,b)若 ，闭合面内有吸收矢量线的负源；,c)若 ，闭合面无源。,0,(有正源),0,(有负源),=,0,(无源),1、散度的定义,2、散度的物理意义,1)矢量场的散度代表矢量场的通量源的分布特性；,在场空间 中任意点M 处作一个闭合曲面，所围的体积为 ，则定义场矢量 在M 点处的散度为：,2)矢量场的散度是一个标量；,3)矢量场的散度是空间坐标的函数；,三、矢量场的散度,通量反映的是大面积上的积分量，不能说明体积内每一点的性质。,如果包围点M的闭合面,S,所围区域,V,以任意方式缩小为点,M,时,通量与体积之比的极限存在，即：,(,无源,）,(,正源,),负,源,),4)矢量场的散度值表征空间中通量源的密度（分布特性）。,讨论：在矢量场中，,1）若 ，则该矢量场称为有源场，,为源密度,；,2）若 处处成立，则该矢量场称为无源场。,某一点的散度是指在以该点为中心的邻域内单位体积中,的通量源-通量源密度。,1)在直角坐标系下：,式中：,哈密顿算符,3、散度的计算,2)在圆柱坐标系下：,3)在球面坐标系下：,一些常用的运算恒等式,四、散度定理（矢量场的高斯定理）,该公式表明了区域,V,中场,与边界,S,上的场 之间的关系。,高斯定理在数学上表示体积分与面积分的转换关系，反映了体积表面上的矢量场与体积内的矢量场源的关系。,从散度定义，可以得到：,则在一定体积V内的总的通量为：,式中：S为包围,V的闭合面,式中：S为包围,体积V的闭合面,得证！,由于,是通量源密度，即穿过包围单位体积的闭合面的通量，对 体积分后，为穿出闭合面,S,的通量,散度定理的证明,例题一：(例1.2.3 书 pp.6),已知空间中矢量场分布满足 ，求矢量场在空间中的散度源分布。,分析：,该矢量场的场量等于其空间位置矢量值 。在空间任意位置，是变量。,在直角坐标系下：,在圆柱坐标系下：,在球面坐标系下：,例题二：,已知：，,求：矢量,在R,0处的散度。,1）矢量场的通量,通量的定义,封闭曲面通量的意义,2）散度的定义,3）散度的计算,4）高斯定理,思考题,1、通量和散度的意义各是什么？,2、高斯定理的意义是什么？其积分面的方向是如何规定的？,3、如果矢量场对于某区域封闭面S的通量为零，那么矢量场在该区域中的散度处处为零吗？为什么？,小结,第三节 矢量场的,环流 旋度,一、矢量的环流,环流的计算,环流的定义：,在场矢量 空间中，取一有向闭合路径L，则称 沿L积分的结果称为矢量 沿L的环流。即：,讨论：1）线元矢量 的定义；,3）环流意义：若矢量场环流为零，矢量场无涡漩流动；反之，则矢量场存在涡漩运动。,2),反映矢量场漩涡源分布情况。,矢量场除了有散度源外，还有另一种源旋度源。,环量;,该环量表示绕线旋转趋势的大小；矢量场的涡旋是由某种“力”（涡旋源）引起的。,二、矢量的旋度,1.环流面密度,在场矢量 空间中，围绕空间某点M取一面元,S，其边界曲线为C，面元法线方向为 ，当面元面积无限缩小时，可定义 在点M处沿 方向的环量面密度,表示矢量场 在点M处沿 方向的漩涡源密度；,M,法线方向与曲线绕向成右手螺旋法则,取不同的路径，其环量密度不同。,环量密度,讨论,环量密度是面上的函数，表示环量在面上的分布。,环量密度的面积分就等于面边界闭合回路的环量。,某面上各点的环量密度与该面的取向有关。,不同的方向，环量密度不同。,一定存在一个方向，其环量密度比其它方向的大。,2.矢量场的,旋度,旋度是一个矢量，,模值等于环量密度的最大值；,方向为最大环量密度的方向。,用 表示，即：,式中：表示矢量场旋度的方向；,1）矢量的旋度为矢量，是空间坐标的函数；,旋度完整的反映了矢量场的旋涡在各点上的分布情况。,而某个方向的环量密度是旋度在该方向上的投影。,2）矢量在空间某点处的旋度表征矢量场在该点处的漩涡源密度；,旋度可以反映引起矢量场旋涡的源（旋度源）在空间的,分布情况。,3.,旋度的物理意义,4.,旋度的计算,在直角坐标系下：,由旋度的定义可以得到矢量场的旋度与该矢量场的关系为：,可以看出，旋度是对矢量场的一种微分运算，描述矢量场,在空间的某种变化情况。,由求旋度的公式可见，旋度运算是求导运算的组合，因此，其运算规则与微分运算规则相似，例如,三、斯托克斯定理,由旋度的定义,对于有限大,面积,s，,可将其按如图方式进行分割，对每一小面积元有,斯托克斯定理的证明：,得证！,意义：矢量场的旋度在曲面上的积分等于该矢量场在限定该曲面的闭合曲线上的线积分。,斯托克斯定理给出了闭合线积分与面积分的关系，反映了曲面边界上的矢量场与曲面中旋度源的关系,四、矢量场旋度的重要性质,证：,=0,小结,1）矢量场的环量,2）环量密度,3）旋度的定义,4）旋度的计算,5）斯托克斯定理,思考题,1、矢量场的环量、环量密度及旋度各表示什么意义？,2、环量与环量密度以及环量密度与旋度之间各有什么关系？,3、斯托克斯定理中如果闭合线积分给定，那么积分面是唯一的吗？为什么？,4、矢量场旋度的方向和使场涡旋的方向有什么关系？,第四节 标量场的梯度,一.等值面（线）,由所有场值相等的点所构成的面，即为等值面。即若标量函数为 ，则等值面方程为：,二.标量场的梯度,1、梯度的定义,式中：为垂直于等值面（线）的方向。,2、梯度的物理意义,1)、标量场的梯度为一矢量，且是坐标位置的函数；,2)、标量场的梯度表征标量场变化规律：其方向为标量场变化最快的方向，其幅度表示标量场的最大变化率。,3、梯度的运算,1）在直角坐标系中：,2）在柱面坐标系中：,3）在球面坐标系中：,一些常用的梯度运算恒等式,为标量函数,三.梯度的重要性质,标量场梯度的旋度恒等于零。,证：,=0,例题：,若 ，,证明：,说明：,在处理相对坐标的函数的梯度运算时，算子 与算子 可以互换，但改变其前的正负号。,1）多元函数（标量场）的偏导数,2）方向导数,3）标量场梯度的定义,4）梯度的计算,小结,第五节 亥姆霍兹定理,一.亥姆霍兹定理,在有限区域内，任意矢量场由矢量场的,散度,、,旋度,和,边界条件,（即矢量场在有限区域边界上的分布）唯一确定。这就是亥姆霍兹定理的内容。,已知,矢量,F,的通量源密度,矢量,F,的旋度源密度,场域边界条件,在电磁场中,电荷密度,电流密度,J,场域边界条件,（矢量,A,唯一地确定）,亥姆霍兹定理在电磁场理论中的意义：研究电磁场的一条主线。,散度源,，是标量，产生的矢量场在包围源的封闭面上的通量等于（或正比于）该封闭面内所包围的源的总和，源在一给定点的（体）密度等于（或正比于）矢量场在该点的散度；,旋度源,，是矢量，产生的矢量场具有涡旋性质，穿过一曲面的旋度源等于（或正比于）沿此曲面边界的闭合回路的环量，在给定点上，这种源的（面）密度等于（或正比于）矢量场在该点的旋度。,矢量场的源,根据矢量场的散度和旋度值是否为零进行分类：,1)调和场（在要讨论的场区，既无旋又无散）,若矢量场 在某区域V内，处处有：和,则在该区域V内，场 为调和场。,注意：不存在在整个空间内散度和旋度处处均为零的矢量场。,二.矢量场的分类,源在要讨论的区域之外,若矢量场 在某区域V内，处处 ，但在某,些位置或整个空间内，有 ，则称在该区域V,内，场 为有源无旋场。,2)有源无旋场为,保守场,，其重要性质为：,1)为矢量场通量源密度；,保守场场矢量沿任何闭合路径积分结果等于零。,讨论：,2)有源无旋场,因为,因此这种场可以用,标量场的梯度,表示,例：静电场,若矢量场 在某区域V内，处处 ，但在某,些位置或整个空间内，有 ，则称在该区域V,内，场 为无源有旋场。,说明：式中 为矢量场漩涡源密度。,3)无源有旋场,这种场无通量源,因为,因此这种矢量场可以表示为另一个矢量场的旋度,例如，恒定磁场,若矢量场 在某区域V内，在某些位置或整个空间内，,有 和 ，则称在该区域V内，,场 为有源有旋场。,有源有旋场可分解一个有源无旋场和无源有旋场之和，即：,4)有源有旋场,无旋场部分,无散场部分,小结,1）,矢量场的源,2）矢量场按源的分类,3）,亥姆霍兹定理,思考题,1、什么是无旋场？什么是无散场？它们各有什么特点？,2、在无界空间中矢量场由什么确定？,3、如果一矢量场在某有界区域内仅有散度源，而无旋度源，那么该矢量场是无旋场吗？为什么？,4、如果一矢量场在某有界区域内仅有旋度源，而无散度源，那么该矢量场是无散场吗？为什么？,5、在有界区域内，有那几类矢量场？它们各有什么特点？,6、在有界区域内，矢量场是否可由其散度和旋渡确定？为什么？,第一章习题,矢量运算、坐标系部分：,1.1 1.8 1.9,矢量的散度,1.13,（,1,）,1.17(1),矢量的旋度,1.16 1.17(2),矢量的梯度,1.17(3)1.20 1.23,