CES02-场论初步.doc

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CES02-场论初步

该部分内容取自: 0/jpkcgc/aao_53/index.jsp 场论初步:三场与三度 5-6-1 三个曲型场 (一) 无旋场、保守场 保守场、积分与路迳无关 假设 上的连续向量场 如果对于中的任意逐段光滑的有向曲线, 积分只与曲线的起点,终点有关,而与曲线本身无关, 则称该向量场是上的保守场. 有势场与势函数 如果存在上的可微函数使得, 则称 是上的有势场,并称是向量场的势函数. 此时,的全微分等于 因此是这个微分形式的原函数. 有势的充要条件(一) : 设是中的区域, 是上的向量场. 则下列命题互相等价: (1). 是上的保守场. (2).对于内部的任意一条闭曲线, 有 . (3). 是上的有势场. 这个定理的证明与平面问题证明类似, 故不再重复. 无旋场 设是中的区域, 是上的可微向量场, 如果在上处处有 , 则称是上的无旋场. 区域是中的面单连通区域, 是指内的任意一条简单闭曲线, 都存在内的一个逐片光滑曲面, 使得. 有势的充要条件(二) : 设是中的面单连通区域, 是上的可微向量场. 则下列命题互相等价: (1). 是上的保守场. (2). 是上的无旋场; (3). 的Jacobi矩阵是对称的。 证明: 根据头个定理保守场一定是有势场, 不难验证有势场是无旋场: . 反之, 假设是上的无旋场, 即处处有. 对于内的任意一条简单闭曲线, 由于是中的面单连通区域, 所以存在内的一个逐片光滑曲面 (的方向可以根据有向曲线的方向,按照有向曲面与其边界方向的关系确定),使得.由Stokes公式得到 . 因此推出是上的保守场. 无旋与Jacobi矩阵的对称性的关系更为显然。 证毕. 例1: 验证向量场向量场 为保守场, 并且求其势函数. 解: 向量场在单连通区域上可微,并且处处满足 , 于是在上有势函数. 令 因为积分与路线无关, 所以这个积分可以沿任意一条 起点为终点为的逐段光滑曲线进行. 例如,可以先从沿轴积分至点,然后从沿与轴平行的直线积分至;最后从沿与轴平行的直线积分至. 这个函数就是在上势函数. 因为任意两个势函数之间只差一个常数, 所以对于任意常数, 也是在上势函数. 我们再提醒大家注意, 有势函数等价于微分形式 有原函数. 因此求向量场的势函数与求微分形式的原函数这两个问题是等价的. (二管形场 无源场 若向量场在区域上处处有 , 则称向量场在区域上为无源场. ,如果向量场在区域上为无源场, 则对于内的任意一个逐片光滑的闭曲面(外侧为正),恒有 其中是闭曲面所包围的区域. 无源场与旋度场的关系: 因为 , 所以,任意向量场的旋度场都是无源场. (假定向量场有足够的可微性). 反之, 一个无源向量场必是另外一个 向量场的 旋度场. 即 定理: 设是中的一个凸区域 是上的可微向量场. 如果 则存在向量场 , 使得 . 称为的向量势 . 的向量势之间可差一个梯度场 可见, 无旋必有数量势;无源 必有向量势。 例2: 设在中的点 放有质量的质点.这些质点在产生了一个引力场. 在每个点单位质量的质点受力等于(忽略一个常数因子) 其中 , .不难验证, 除了之外, 处处有 因此, 如果是一个逐片光滑的闭曲面, 且所包围的区域内部不包含任意的, 则有 其中是所包围的区域. 如果是一个只包围一个的半径充分小的球面, 外侧为正, 则简单计算得到 事实江,假如内部包围点. 以为中心, 以充分小的正数为半径作球面 . 并且用于表示之内, 各小球面之外的区域. 应用Gauss公式, 得到 由以上讨论可知,在引力场的某个区域中如果没有质量, 则处处有 .因此, 引力场中的源来自质量. 例2: 设在中的点 分别放有正电荷和负电荷 用表示由这些电荷产生的电场(忽略一个常数因子),则 其中 与上例同样的分析可以得到这样的结果: 对于任意一个其上不

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