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1、1,第一章 矢量分析,2,本章内容 1.1 矢量代数 1.2 三种常用的正交曲线坐标系 1.3 标量场的梯度 1.4 矢量场的通量与散度 1.5 矢量场的环流和旋度 1.6 无旋场与无散场 1.7 拉普拉斯运算与格林定理 1.8 亥姆霍兹定理,3,1. 标量和矢量,矢量的大小或模：,矢量的单位矢量：,标量：一个只用大小描述的物理量。,矢量的代数表示：,1.1 矢量代数,矢量：一个既有大小又有方向特性的物理量，常用黑体字 母或带箭头的字母表示。,矢量的几何表示：一个矢量可用一条有方向的线段来表示,注意：单位矢量不一定是常矢量。,常矢量：大小和方向均不变的矢量。,4,矢量用坐标分量表示,5,（1）
2、矢量的加减法,两矢量的加减在几何上是以这两矢量为邻边的平行四边形的对角线,如图所示。,矢量的加减符合交换律和结合律,2. 矢量的代数运算,在直角坐标系中两矢量的加法和减法：,结合律,交换律,6,（2）标量乘矢量,（3）矢量的标积（点积）,矢量的标积符合交换律,7,（4）矢量的矢积（叉积）,用坐标分量表示为,写成行列式形式为,若 ，则,若 ，则,8,（5）矢量的混合运算, 分配律, 分配律, 标量三重积, 矢量三重积,9,三维空间任意一点的位置可通过三条相互正交曲线的交点来确定。,1.2 三种常用的正交曲线坐标系,在电磁场与波理论中，三种常用的正交曲线坐标系为：直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。
3、,三条正交曲线组成的确定三维空间任意点位置的体系，称为正交曲线坐标系；三条正交曲线称为坐标轴；描述坐标轴的量称为坐标变量。,10,1. 直角坐标系,位置矢量,面元矢量,线元矢量,体积元,坐标变量,坐标单位矢量,11,2. 圆柱坐标系,坐标变量,坐标单位矢量,位置矢量,线元矢量,体积元,面元矢量,圆柱坐标系中的线元、面元和体积元,圆柱坐标系,12,3. 球坐标系,球坐标系,球坐标系中的线元、面元和体积元,坐标变量,坐标单位矢量,位置矢量,线元矢量,体积元,面元矢量,13,4. 坐标单位矢量之间的关系,直角坐标与 圆柱坐标系,圆柱坐标与 球坐标系,直角坐标与 球坐标系,14,1.3 标量场的梯度,
4、如果物理量是标量，称该场为标量场。 例如：温度场、电位场、高度场等。 如果物理量是矢量，称该场为矢量场。 例如：流速场、重力场、电场、磁场等。 如果场与时间无关，称为静态场，反之为时变场。,时变标量场和矢量场可分别表示为：,确定空间区域上的每一点都有确定物理量与之对应，称在该区域上定义了一个场。,从数学上看，场是定义在空间区域上的函数：,标量场和矢量场,静态标量场和矢量场可分别表示为：,15,标量场的等值面,标量场的等值线(面),等值面: 标量场取得同一数值的点在空 间形成的曲面。,等值面方程：,常数C 取一系列不同的值，就得到一系列不同的等值面，形成等值面族； 标量场的等值面充满场所在的整个
5、空间； 标量场的等值面互不相交。,等值面的特点：,意义: 形象直观地描述了物理量在空间 的分布状态。,16,2. 方向导数,意义：方向导数表示场沿某方向的空间变化率。,概念：, u(M)沿 方向增加；, u(M)沿 方向减小；, u(M)沿 方向无变化。,特点：方向导数既与点M0有关，也与 方向有关。,问题：在什么方向上变化率最大、其最大的变化率为多少？,17,梯度的表达式：,圆柱坐标系,球坐标系,直角坐标系,3. 标量场的梯度（ 或 ）,意义：描述标量场在某点的最大变化率及其变化最大的方向,概念： ，其中 取得最大值的方向,18,标量场的梯度是矢量场，它在空间某点的方向表示该点场变化最大（增
6、大）的方向，其数值表示变化最大方向上场的空间变化率。 标量场在某个方向上的方向导数，是梯度在该方向上的投影。,梯度的性质：,梯度运算的基本公式：,标量场的梯度垂直于通过该点的等值面（或切平面）,19,解 (1)由梯度计算公式，可求得P点的梯度为,例1.2.1 设一标量函数 (x,y,z) = x2y2z 描述了空间标量场。试求： (1) 该函数 在点P(1,1,1)处的梯度，以及表示该梯度方向的单位矢量。 (2) 求该函数 沿单位矢量 方向的方向导数，并以点P(1,1,1)处的方向导数值与该点的梯度值作以比较，得出相应结论。,20,表征其方向的单位矢量,(2) 由方向导数与梯度之间的关系式可知
7、，沿el方向的方向导数为,对于给定的P点，上述方向导数在该点取值为,21,而该点的梯度值为,显然，梯度 描述了P点处标量函数 的最大变化率，即最大的方向导数，故 恒成立。,22,1.4 矢量场的通量与散度,1. 矢量线,意义：形象直观地描述了矢量场的空间分 布状态。,矢量线方程：,概念：矢量线是这样的曲线，其上每一 点的切线方向代表了该点矢量场 的方向。,23,2. 矢量场的通量,问题：如何定量描述矢量场的大小？ 引入通量的概念。,通量的概念,面积元的法向单位矢量；,穿过面积元 的通量。,如果曲面 S 是闭合的，则规定曲面的法向矢量由闭合曲面内指向外，矢量场对闭合曲面的通量是,24,通过闭合曲
8、面有净的矢量线穿出,有净的矢量线进入,进入与穿出闭合曲面的矢量线相等,矢量场通过闭合曲面通量的三种可能结果,闭合曲面的通量从宏观上建立了矢量场通过闭合曲面的通量与曲面内产生矢量场的源的关系。,通量的物理意义,25,3. 矢量场的散度,定义：流出单位体积元封闭面的通量,26,直角坐标系下散度表达式的推导,即流出,不失一般性，令包围P点的体积元V 为一直平行六面体，如图所示。则,和,两面元的通量为：,27,于是根据定义求得散度为：,同理，可计算出应流出另两组侧面的通量，最后得：,28,圆柱坐标系,球坐标系,直角坐标系,散度的表达式：,散度的有关公式：,29,4. 散度定理,通量与散度的关系：,30
9、,1.5 矢量场的环流和旋度,矢量场的环流与旋涡源,31,磁场的环流与电流的关系：,32,环流的定义：,33,2. 矢量场的旋度（ ）,（1）环流面密度,称为矢量场在点M 处沿方向 的环流面密度。,单位面元边界闭合曲线的环流：,特点：其值与点M 处的方向有关。,34,任一取向面元的环流面密度，是该点最大环流面密度的投影：,（2）矢量场的旋度,35,而,推导 的示意图如图所示。,直角坐标系中 、 、 的表达式,36,于是,同理可得,故得,37,旋度的计算公式:,38,旋度的有关公式：,39,3. 斯托克斯定理,环流与旋度的关系：,40,4. 散度和旋度的区别,41,习 题 一、关于矢量代数 1.
10、3; 1.4; 1.6; 1.7; 1.8; 1.9 二、关于矢量分析 1.12; 1.13; 1.15;1.16; 1.18; 1.19; 1.20; 1.22; 1.23,42,1. 矢量场的源,散度源,旋度源,1.6 无旋场与无散场,43,2. 矢量场按源的分类,（1）无旋场,性质： ，线积分与路径无关，是保守场。,仅有散度源而无旋度源的矢量场，,无旋场可以用标量场的梯度表示为,例如：静电场,44,（2）无散场,仅有旋度源而无散度源的矢量场，即,性质：,无散场可以表示为另一个矢量场的旋度,例如，恒定磁场,45,（3）无旋、无散场,（源在所讨论的区域之外）,（4）有散、有旋场,这样的场可分解为两部分：无旋场部分和无散场部分,46,1.7 拉普拉斯运算,1. 拉普拉斯运算,标量拉普拉斯运算,概念：, 拉普拉斯算符,直角坐标系,计算公式：,圆柱坐标系,球坐标系,47,亥姆霍兹定理:,在无限空间中，当矢量场的源分布在有限区域时，该矢量场可表为：,式中：,亥姆霍兹定理表明：在无界空间区 域，矢量场可由其散度及旋度确定。,1.8 亥姆霍兹定理,48,有界区域,在有界区域，矢量场不但与该区域中的散度和旋度有关， 还与区域边界上矢量场的切向分量和法向分量有关。,