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§1.4 矢量场的环量及旋度 1、环量 矢量场沿闭合线的线积分 从变力作功问题引入矢量场环量的概念。 一段积分路径及其细分 θi Δli Fi b a ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ l 若将F(r)看成是任意的矢量场,上述积分则代表矢量场F(r)沿路径 l 的标量线积分。矢量场的环量是上述矢量场线积分概念推广应用于闭合路径的结果,因此,F(r)的环量为 环量不为零的矢量场叫做旋涡场,其场源称为旋涡源,矢量场的环量有检源作用。 环量为零的矢量场叫做保守场或守恒场,静电场就是保守场。 Fn Ft F 环量的计算 水流沿平行于水管轴线方向流动 C=0,无涡旋运动 流体做涡旋运动C?0,有产生 涡旋的源 例:流速场 在直角坐标系中,设 F( x,y,z ) = Fx ( x,y,z )ex+ Fy ( x,y,z )ey+ Fz ( x,y,z )ez dl = dx ex+ dy ey+ dz ez 则环量可写成 过点P 作一微小有向曲面?S,它的边界曲线记为l,曲面的法线方向与曲线绕向成右手螺旋关系。当?S?点P 时,存在极限 上式称为环量密度 过点P 的有向曲面?S 取不同的方向,其环量密度将会不同。 2、旋度 (1)环量密度 面元法向矢量与周界循行方向的右手关系。 P l ?S (2)旋度 P 点的旋度定义为该点的最大的环量密度,并令其方向为en ,即 旋度与环量密度的关系:投影 旋度直角坐标式的推导 于是得旋度的x方向分量: Fz l1 x y z Δsx (x,y,z) Δy Δz Fy Fz(x,y+Δy,z) Fy(x,y,z+Δz) o 推导旋度的直角坐标式所取的面元和它的围线 同理可求得 curlF 的y,z分量 所以 或用? 算符将其写成 (3)旋度的物理意义 矢量的旋度仍为矢量,是空间坐标点的函数。 点P 的旋度的大小是该点环量密度的最大值。 在矢量场中,若??F=J?0, 称之为旋度场(或涡旋场),J 称为旋度源密度(或涡旋源密度); 点P 的旋度的方向是该点最大环量密度的方向。 若矢量场处处??F=0,称之为无旋场或保守场。 (4)有关旋度的几个关系式 相对位置矢量的旋度为零,即 f(r)与F(r)之积 fF 的旋度有恒等式 f(R) 与 R 之积的旋度,有 证明: 例 4 已知F=(2x?y?z)ex?(x+y?z2)ey+(3x?2y+4z)ez试就图所示xoy平面上 以原点为心、3为半径的圆形路径,求F 沿其逆时针方向的环量。 解 在 xoy 平面上,有 F = (2x?y)ex+(x+y)ey+(3x?2y)ez , dl=dxex+dyey 设 x = 3cos? ,y = 3sin? 则 x y (x,y) l 3 ? o 例 5 求矢量场 F=xyz(ex?ey+ez) 在点 M(1,3,2)处的旋度。 解: 作业:1.8
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