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《電磁場與電磁波》第1章矢量分析.ppt

上傳人:w****2 文檔編號:15004065 上傳時(shí)間:2020-08-02 格式:PPT 頁數(shù):40 大?。?.42MB
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1、第1章 矢量分析,一、矢量和標(biāo)量的定義,二、矢量的運(yùn)算法則,三、矢量微分元:線元,面元,體元,四、標(biāo)量場的梯度,六、矢量場的旋度,五、矢量場的散度,七、重要的場論公式,一、矢量和標(biāo)量的定義,1.標(biāo)量:只有大小,沒有方向的物理量。,矢量表示為:,所以:一個(gè)矢量就表示成矢量的模與單位矢量的乘積。,其中: 為矢量的模,表示該矢量的大小。 為單位矢量,表示矢量的方向,其大小為1。,2.矢量:不僅有大小,而且有方向的物理量。,如:力 、速度 、電場 等,如:溫度 T、長度 L 等,,例1:在直角坐標(biāo)系中, x 方向的大小為 6 的矢量如何表示?,圖示法:,,,,,,,,,力的圖示法:,二、矢量的

2、運(yùn)算法則,1.加法: 矢量加法是矢量的幾何和,服從平行四邊形規(guī)則。,a.滿足交換律:,b.滿足結(jié)合律:,,,,,,,,,,,,,,三個(gè)方向的單位矢量用 表示。,根據(jù)矢量加法運(yùn)算:,所以:,,,,,,在直角坐標(biāo)系下的矢量表示:,,,,,其中:,矢量:,模的計(jì)算:,單位矢量:,方向角與方向余弦:,在直角坐標(biāo)系中三個(gè)矢量加法運(yùn)算:,,,,2.減法:換成加法運(yùn)算,,,,,,逆矢量: 和 的模相等,方向相反,互為逆矢量。,,,,,,,,,,,,,在直角坐標(biāo)系中兩矢量的減法運(yùn)算:,3.乘法:,(1)標(biāo)量與矢量的乘積:,(2)矢量與矢量乘積分兩種定義,a. 標(biāo)量積(點(diǎn)積):,,,,,,在直角坐標(biāo)系中

3、,已知三個(gè)坐標(biāo)軸是相互正交的,即,有兩矢量點(diǎn)積:,結(jié)論: 兩矢量點(diǎn)積等于對應(yīng)分量的乘積之和。,推論1:滿足交換律,推論2:滿足分配律,推論3:當(dāng)兩個(gè)非零矢量點(diǎn)積為零,則這兩個(gè)矢量必正交。,推論1:不服從交換律:,推論2:服從分配律:,推論3:不服從結(jié)合律:,推論4:當(dāng)兩個(gè)非零矢量叉積為零,則這兩個(gè)矢量必平行。,b.矢量積(叉積):,含義: 兩矢量叉積,結(jié)果得一新矢量,其大小為這兩個(gè)矢量組成的平行四邊形的面積,方向?yàn)樵撁娴姆ň€方向,且三者符合右手螺旋法則。,在直角坐標(biāo)系中,兩矢量的叉積運(yùn)算如下:,兩矢量的叉積又可表示為:,(3)三重積:,三個(gè)矢量相乘有以下幾種形式:,矢量,標(biāo)量與矢量相乘。,標(biāo)

4、量,標(biāo)量三重積。,矢量,矢量三重積。,a. 標(biāo)量三重積,法則:在矢量運(yùn)算中,先算叉積,后算點(diǎn)積。,定義:,,含義: 標(biāo)量三重積結(jié)果為三矢量構(gòu)成的平行六面體的體積 。,注意:先后輪換次序。,推論:三個(gè)非零矢量共面的條件。,在直角坐標(biāo)系中:,b.矢量三重積:,例2:,解:,則:,設(shè),,,例3: 已知,求:確定垂直于 、 所在平面的單位矢量。,,,,,其中:k 為任意實(shí)數(shù)。,,,C,A,B,,,,,,,,解:在通過A點(diǎn)和B點(diǎn)的直線方程上, 任取一點(diǎn)C,對于原點(diǎn)的位置 矢量為 ,則,三、矢量微分元:線元、面元、體元,例:,其中: 和 稱為微分元。,1. 直角坐標(biāo)系 在直角坐標(biāo)系中,坐標(biāo)變

5、量為(x,y,z),如圖,做一微分體元。,線元:,,,面元:,體元:,2. 圓柱坐標(biāo)系,在圓柱坐標(biāo)系中,坐標(biāo)變量為 ,如圖,做一微分體元。,線元:,面元:,體元:,3. 球坐標(biāo)系,在球坐標(biāo)系中,坐標(biāo)變量為 ,如圖,做一微分體元。,線元:,面元:,體元:,a. 在直角坐標(biāo)系中,x,y,z 均為長度量,其拉梅系數(shù)均為1, 即:,b. 在柱坐標(biāo)系中,坐標(biāo)變量為 , 其中 為角度, 其對應(yīng)的線元 ,可見拉梅系數(shù)為:,在球坐標(biāo)系中,坐標(biāo)變量為 ,其中 均為 角度,其拉梅系數(shù)為:,注意:,在正交曲線坐標(biāo)系中,其坐標(biāo)變量 不一定都是長度,其線元必然有一個(gè)修正系數(shù),這些修正

6、系數(shù)稱為拉梅系數(shù),若已知其拉梅系數(shù) ,就可正確寫出其線元、面元和體元。,體元:,線元:,面元:,正交曲線坐標(biāo)系:,四、標(biāo)量場的梯度,1. 標(biāo)量場的等值面,可以看出:標(biāo)量場的函數(shù)是單值函數(shù),各等值面是互不 相交的。,以溫度場為例:,,,熱源,等溫面,,,,,b.梯度,定義:標(biāo)量場中某點(diǎn)梯度的大小為該點(diǎn)最大的方向?qū)?shù), 其方向?yàn)樵擖c(diǎn)所在等值面的法線方向。,數(shù)學(xué)表達(dá)式:,2. 標(biāo)量場的梯度,a.方向?qū)?shù):,空間變化率,稱為方向?qū)?shù)。,為最大的方向?qū)?shù)。,標(biāo)量場的場函數(shù)為,計(jì)算:,在直角坐標(biāo)系中:,所以:,梯度也可表示:,在柱坐標(biāo)系中:,在球坐標(biāo)系中:,在任意正交曲線坐標(biāo)系中:,在不同

7、的坐標(biāo)系中,梯度的計(jì)算公式:,在直角坐標(biāo)系中:,五、矢量場的散度,1. 矢線(場線):,在矢量場中,若一條曲線上每一點(diǎn)的切線方向與場矢量在該點(diǎn)的方向重合,則該曲線稱為矢線。,2. 通量:,定義:如果在該矢量場中取一曲面S, 通過該曲面的矢線量稱為通量。,表達(dá)式:,若曲面為閉合曲面:,,,,,,討論:,a. 如果閉合曲面上的總通量,說明穿出閉合面的通量大于穿入曲面的通量,意味著閉合面內(nèi)存在正的通量源。,b. 如果閉合曲面上的總通量,說明穿入的通量大于穿出的通量,那么必然有一些矢線在曲面內(nèi)終止了,意味著閉合面內(nèi)存在負(fù)源或稱溝。,c. 如果閉合曲面上的總通量,說明穿入的通量等于穿出的通量。,3.

8、 散度:,a.定義:矢量場中某點(diǎn)的通量密度稱為該點(diǎn)的散度。,b.表達(dá)式:,c.散度的計(jì)算:,在直角坐標(biāo)系中,如圖做一封閉曲面,該封閉曲面由六個(gè)平面組成。,矢量場 表示為:,因?yàn)椋?則:,在 x 方向上的總通量:,在 z 方向上,穿過 和 面的總通量:,整個(gè)封閉曲面的總通量:,同理:在 y方向上,穿過 和 面的總通量:,該閉合曲面所包圍的體積:,通常散度表示為:,4.散度定理:,物理含義:穿過一封閉曲面的總通量等于矢量散度的體積分。,柱坐標(biāo)系中:,球坐標(biāo)系中:,正交曲線坐標(biāo)系中:,直角坐標(biāo)系中:,常用坐標(biāo)系中,散度的計(jì)算公式,六、矢量場的旋度,1. 環(huán)量:,在矢量場中,任意取一閉合曲線 ,將矢量

9、沿該曲線積分稱之為環(huán)量。,可見:環(huán)量的大小與環(huán)面的方向有關(guān)。,2. 旋度:,定義:一矢量其大小等于某點(diǎn)最大環(huán)量密度,方向?yàn)樵摥h(huán) 的法線方向,那么該矢量稱為該點(diǎn)矢量場的旋度。,表達(dá)式:,旋度計(jì)算:,以直角坐標(biāo)系為例,一旋度矢量可表示為:,場矢量:,其中: 為x 方向的環(huán)量密度。,,,旋度可用符號表示:,其中:,可得:,同理:,所以:,,旋度公式:,為了便于記憶,將旋度的計(jì)算公式寫成下列形式:,,類似地,可以推導(dǎo)出在廣義正交坐標(biāo)系中旋度的計(jì)算公式:,對于柱坐標(biāo)、球坐標(biāo),已知其拉梅系數(shù),代入公式即可寫出旋度的計(jì)算公式。,3. 斯托克斯定理:,物理含義: 一個(gè)矢量場旋度的面積分等于該矢量沿此曲面周界的曲線積分。,七、重要的場論公式,1. 兩個(gè)零恒等式,任何標(biāo)量場梯度的旋度恒為零。,任何矢量場的旋度的散度恒為零。,,,,,,,在圓柱坐標(biāo)系中:,,在球坐標(biāo)系中:,,在廣義正交曲線坐標(biāo)系中:,2. 拉普拉斯算子,在直角坐標(biāo)系中:,3. 常用的矢量恒等式,

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