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电磁场与电磁波教程;第 一 章;基 本 要 求;又称数学场论,是研究各种类型场运动规律的数学工具,它的数学公式是与场的物理概念紧密相关的。
场论是把各种物理的场在数学上抽象成矢量场和标量场来研究的数学理论。;1.1 标 量 场 和 矢 量 场;场的重要属性:占有一个空间,且在该区域中,
除开有限个点和某些表面外,场量是处处连续、
可微的。;二. 场 的 分 类;2.图示法;;手写体:;;箭头方向→场量的方向 箭头颜色或长度→场量的大小。
;2.图示法C: 纹理图 (Grass Seeds);1.2 矢 量 运 算;1. 矢量加法:;? 运算法则:;2. 两个矢量的标量积(点积,点乘):
结果是标量;c. ;3. 两个矢量的矢量积(叉积、叉乘):
结果是矢量;c. 直角坐标系中 ;4. 三个矢量的混合积:;三个矢量A、B、C的二重矢量积定义为按照顺序或优先级别做两次叉乘运算,如;习题:1.2 1.3 1.5 1.6 1.14;1.3 正 交 曲 线 坐 标 系;正 交 曲 线 坐 标 系 简 介;? 坐标线(轴):三张正交曲面两两相交而成的曲线;一. 直 角 坐 标;二. 圆 柱 坐 标;1 i = j
0 i ≠ j ;5.导数关系:
注意: a?、 a? 模值虽为1,但方向随? 变化,是? 的函数,是变矢。 ;二.球坐标;;;注意: ar (?,?)、 a? (?,?) 、a? (?)均不是常矢量;1.4 微分元和积分运算;一. 长度元、面元和体积元;矢量面元:;矢量线元:;z;矢量线元:;矢量面元:;定义度量系数:;一般地,在正交坐标系中
矢量线元:
dl = a1 dl1 + a2dl2 + a3dl3
= a1h1 du1 + a2h2du2 + a3h3du3
矢量面元 :
dS = a1 dS1 + a2dS2 + a3dS3
=a1 dl2dl3 + a2dl1dl3 + a3dl1dl2
= a1h2h3 du2du3+ a2h1 h3du1du3+ a3h1h2du1du2
体积元:
d? =dl1dl2dl3 = h1h2h3du1du2du3;二. 线积分、面积分和体积分;环量的物理意义:;F做正功,F与c方向大体一致,动能增加; 求A= axx2 + ayy2 + azz2 沿着 xy 面上的一个闭合回路c的线积分, 如图所示。;2. 面积分;通量的物理意义:; 已知矢量场 A = a? (e-??/?) + az cos?z,?为常数。有一个以z轴为轴线,半径为2的单位长度圆柱面与z = 0,z = 1的平面构成的闭合面S,求A穿过S的通量。;计算面积分;3. 体积分;习题:1-8、11、12、13;1.5 标量场的梯度;一. 方向导数;二.标量场的梯度;定义:;在直角坐标系中; 计算场 f ( r ) = x y2 z 在 A=ax+2ay+2az 方向的方向导数
及在点(2,1,0)处,在B = 2ax – ay + 2az 方向的方向导数。;三.梯度的性质;3. 在空间任何一点,梯度的方向都指向标量场
场量增加的方向。;4. 在空间任何一点,梯度的模都等于标量场在
该点的方向导数可能取得的最大值。;5. 一个单值标量场梯度的线积分仅与曲线的起止点
有关,而与曲线的形状无关。即一个单值标量场
的梯度是一个保守的矢量场。;6. 运算法则:;四. 梯度的物理意义;电位场的负梯度; 距离矢量R = r(x,y,z)- r′( x?, y ? , z′);同理;习题:1.19, 1.20;1.6 矢量场的散度;一. 矢量场的通量和通量源;二. 矢量场的散度;穿出上、下面的通量为:;圆柱系中:; 考虑一个气筒,突然打开气门,被压缩的空气的
流速将是越靠近气门越大。设v = ax k x,求??v。;3. 矢量场散度的性质:;
??(A + B)=??(B + A)=?? A+?? B;三. 散度定理(高斯定理) ;2. 证明:;习题: 1.22 1.25;1.7 矢量场的旋度;一. 矢量场的环量和漩涡源;二. 矢量场的旋度;定义:; 正交系中,矢量场A在任意点M点的旋度可定义为:;2. 旋度的数学计算式:;;同理可得:;注意:行列式只能对第一行展开,对第三行元素求导;直角坐标中:;柱坐标:;球坐标:;讨
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