矢量分析：旋度、散度、梯度课件.ppt

1、1.1 1.1 矢量表示法和运算矢量表示法和运算1.2 1.2 通量与散度通量与散度,散度定理散度定理 1.3 1.3 环量与旋度环量与旋度,斯托克斯定理斯托克斯定理 1.4 1.4 方向导数与梯度方向导数与梯度,格林定理格林定理 1.5 1.5 曲面坐标系曲面坐标系 1.6 1.6 亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理第一章第一章 矢矢 量量 分分 析析Chapter 1 Vector AnalysisChapter 1 Vector Analysis2022-12-111v基本要求基本要求1.1.掌握矢量在正交坐标系中的表示方法掌握矢量在正交坐标系中的表示方法2.2.掌握矢量的代数运算及其在坐标系中的

2、物理意义掌握矢量的代数运算及其在坐标系中的物理意义3.3.掌握矢量积、标量积的计算掌握矢量积、标量积的计算4.4.了解矢量场散度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌了解矢量场散度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌握散度定理的内容，并能熟练运用。握散度定理的内容，并能熟练运用。5.5.了解矢量场旋度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌了解矢量场旋度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌握斯托克斯公式的内容，并能数量应用。握斯托克斯公式的内容，并能数量应用。2022-12-1126.6.了解标量场的梯度的定义，掌握其计算方法和物理意义了解标量场的梯度的定义，掌握其计算方法和物理意义7.7.正确理解

3、标量格林定理和矢量格林定理的内容，并学会应正确理解标量格林定理和矢量格林定理的内容，并学会应用用8.8.了解曲面坐标系中矢量的表示方法、三种坐标系的转换了解曲面坐标系中矢量的表示方法、三种坐标系的转换9.9.了解曲面坐标系中散度、旋度的表示线元、面积元、体积了解曲面坐标系中散度、旋度的表示线元、面积元、体积元的表示元的表示10.10.正确理解亥姆霍兹定理的内容，并能正确应用。正确理解亥姆霍兹定理的内容，并能正确应用。2022-12-113物理量的表示物理量的表示 矢量矢量：大写黑体斜体字母大写黑体斜体字母 A A 大写斜体字母加表示矢量的符号 标量：标量：小写斜体字母 u 单位矢量：单位矢量：

4、小写上加倒勾x exAxe2022-12-114 若若一个矢量在一个矢量在三个相互垂三个相互垂直的坐标轴上的分量已知直的坐标轴上的分量已知,这这个矢量就确定了。个矢量就确定了。例如在直角例如在直角坐标系中坐标系中,矢量矢量A A的三个分量模的三个分量模值分别是值分别是A Ax x,A Ay y,A Az z,则则zyxAzAyAxA222zyxAAAA矢量的模矢量的模 Magnitude of Magnitude of vectorvector1.1 1.1 矢量表示法矢量表示法及其及其运算运算1.1.1 1.1.1 矢量表示法及其和矢量表示法及其和差差2022-12-115coscoscos

5、zyaxAAzAAyAAxAAAzyxA A的单位矢量的单位矢量 Unit vectorUnit vector和或差和或差:Vector addition or subtractionVector addition or subtractionzyxBzByBxB则)()()(zzyyxxBAzBAyBAxBA 2022-12-116图图 1-2 1-2 矢量的相加和相减矢量的相加和相减 2022-12-117 矢量的相乘有两种定义矢量的相乘有两种定义:标量积标量积(点乘点乘)和矢量积和矢量积(叉乘叉乘)。ABaBABAcos它符合交换律它符合交换律:ABBA1.1.2 1.1.2 标量积和矢

6、量积标量积和矢量积定义：定义：标量积标量积ABAB是一标量是一标量,其大小等于两个矢量模值相其大小等于两个矢量模值相乘乘,再乘以它们夹角再乘以它们夹角 ABAB(取小角取小角,即即 ABAB)的余弦的余弦:一、一、标量积标量积 Dot productionDot production 特点：特点：1 1、2022-12-118|B B|cos|cos A AB B是矢量是矢量B B在矢量在矢量A A上的投影，上的投影，|A A|cos|cos A AB B是矢量是矢量A A在矢量在矢量B B上的投影。上的投影。B B矢量在矢量在A A矢量上的投影（或者说矢量矢量上的投影（或者说矢量B B 在在

7、A A 上的分量）上的分量）等于等于A A B B/|A A|2 2、2022-12-1192222AAAAAABABABABAzyxzzyyxx并有 0 xzzyyx1zzyyxx互相垂直的两个矢量的点积为互相垂直的两个矢量的点积为0 03 3、4 4、2022-12-1110 定义定义：矢量积矢量积A AB B是一个矢量是一个矢量,其大小等于两个矢量的模值其大小等于两个矢量的模值相乘相乘,再乘以它们夹角再乘以它们夹角 ABAB()()的正弦的正弦,其方向与其方向与A,BA,B成右手螺旋成右手螺旋关系关系,为为A,BA,B所在平面的右手法向所在平面的右手法向 :n 1 1、它不符合交换律。它

8、不符合交换律。由定义知由定义知,)(ABBAABaBAnBAsin二、二、矢量积矢量积 Cross Cross productionproduction 特点：特点：2022-12-11112、yxzxzyzyxzzyyxx,0)()()()()(xyyxxxxzyzzyzyxzyxBABAzBABAyBABAxBzByBxAzAyAxBA2022-12-1112AB各分量的下标次序具有规律性。例如各分量的下标次序具有规律性。例如,分量第一项是分量第一项是yz,其第二项下标则次序对调其第二项下标则次序对调:zy,依次类推。并有依次类推。并有 x zyxzyxBBBAAAzyxBA2022-12

9、-1113图图 1-3 1-3 矢量乘积的说明矢量乘积的说明 2022-12-1114矢量矢量的三连乘也有两种。的三连乘也有两种。标量三重积标量三重积:Scalar tripleScalar triple production production )()()(BACACBCBA矢量三重积矢量三重积:Vector tripleVector triple production production )()()(BACCABCBA公式右边为公式右边为“BAC-CAB”,BAC-CAB”,故称为故称为“Back-Cab”Back-Cab”法则法则,以便记忆。以便记忆。1.1.3 1.1.3 三重积三

10、重积 A B C2022-12-1115解解：zyxzyxBA102213146432AB在C上的分量为：43.14325CCBA例：例：，求求 给定两矢量给定两矢量 和和A B上的分量上的分量。在在zyxA432zyxB146zyxC2022-12-1116如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积，那么便如果给定一未知矢量与一已知矢量的标量积和矢量积，那么便可以确定该未知矢量。设可以确定该未知矢量。设A A为一已知矢量，为一已知矢量，XApXAPp和和P已知，试求已知，试求X 解：解：由由P=AP=A X X，有，有A A P P A A(A(A X)=(A X)=(A X X)A)A

11、-(A(A A)XA)X=pApA-(A(A A)XA)XAAPApAX例例2022-12-1117作业作业 P31 1-1 1-32022-12-11181.2 1.2 通量与散度通量与散度,散度定理散度定理Flux,divergence of a vector field,divergence Flux,divergence of a vector field,divergence theoremtheorem1.2.11.2.1 矢量场的通量矢量场的通量矢量场的空间变化规律通常用散度和旋度描述矢量场的空间变化规律通常用散度和旋度描述 矢量场的通量矢量场的通量 定义：定义：若若矢量场矢量场

12、A A分布于空间中，在空间中存在分布于空间中，在空间中存在任意曲面任意曲面S S，则，则为为矢量矢量 A A 沿有向曲面沿有向曲面S S 的的通量通量。若若S S 为闭合曲面为闭合曲面 物理意义：物理意义：表示穿入和穿出闭合面表示穿入和穿出闭合面S S的矢量通量的代数和。的矢量通量的代数和。在电场电场中，电位移矢量在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的中，电位移矢量在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的电通量电通量；在在磁场磁场中，磁感应强度在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的中，磁感应强度在某一曲面上的面积分就是矢量通过该曲面的磁通量磁通量。S d SASSA d2022-12-11

13、19通过闭合面通过闭合面S S的通量的物理意义：的通量的物理意义：在直角坐标系中，通量可以写成在直角坐标系中，通量可以写成 dxdyAdzdxAdydzAdSAzySxSa)若若 ，穿出闭合曲面的通量多于穿入的通穿出闭合曲面的通量多于穿入的通量，量，闭合面内有产生矢量线的正源；闭合面内有产生矢量线的正源；例如，静电场例如，静电场中的正电荷就是发出电力线的正源；中的正电荷就是发出电力线的正源；0 b)若若 ，穿出闭合曲面的通量少于穿入的通穿出闭合曲面的通量少于穿入的通量，量，闭合面内有吸收矢量线的负源；闭合面内有吸收矢量线的负源；静电场中的负静电场中的负电荷就是接受电力线的负源；电荷就是接受电力

14、线的负源；0 c)若若 ，闭合面无源。，闭合面无源。0 2022-12-11201.2.2 1.2.2 散度散度 Divergence of a vector fieldDivergence of a vector field2 2、散度的物理意义、散度的物理意义 1)1)矢量场的散度代表矢量场的通量源的分布特性；矢量场的散度代表矢量场的通量源的分布特性；2)2)矢量场的散度是一个标量；矢量场的散度是一个标量；3)3)矢量场的散度是空间坐标的函数；矢量场的散度是空间坐标的函数；VSVd limdiv 0SAAAAdiv1 1、定义：、定义：当闭合面当闭合面 S 向某点无限收缩时，矢量向某点无限

15、收缩时，矢量 A A 通过该闭合面通过该闭合面S 的的 通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场通量与该闭合面包围的体积之比的极限称为矢量场 A A 在该在该 点的散度，以点的散度，以 div A A 表示，即表示，即2022-12-11213 3、直角坐标系中散度的表示、直角坐标系中散度的表示zAyAxAzyxAdiv散度可用算符散度可用算符 哈密顿哈密顿 表示为表示为AAdiv哈密顿哈密顿zzyyxx拉普拉斯2222222zyx2022-12-11220divA0div A0divA正源负源无源2022-12-1123 散度的基本运算公式散度的基本运算公式 0 CAAkkBBAAuuu

16、AAAC C为常矢量为常矢量k k为常数为常数u u为标量为标量2022-12-1124VdsAAdv上式称为上式称为散度定理散度定理,也称为也称为高斯公式高斯公式。1.2.3 1.2.3 散度定理散度定理 TheThe divergence divergence theoremtheorem既然矢量的散度代表的是其通量的体密度既然矢量的散度代表的是其通量的体密度,因此直观地可因此直观地可知知,矢量场散度的体积分等于该矢量穿过包围该体积的封矢量场散度的体积分等于该矢量穿过包围该体积的封闭面的总通量闭面的总通量,即即 从从数学角度数学角度可以认为高斯定理建立了面积分和体积分的关系。可以认为高斯定

17、理建立了面积分和体积分的关系。从从物理角度物理角度可以理解为高斯定理建立了区域可以理解为高斯定理建立了区域 V 中的场和包围区中的场和包围区域域 V 的闭合面的闭合面 S 上的场之间的关系。上的场之间的关系。如果已知区域如果已知区域 V 中的场，根据高斯定理即可求出边界中的场，根据高斯定理即可求出边界 S 上的场，上的场，反之亦然。反之亦然。散度定理散度定理：散度定理的物理意义：散度定理的物理意义：2022-12-1125点电荷点电荷q q在离其在离其r r处产生的电通量密度为处产生的电通量密度为 222 1/23,()4qDrrxxyyzzrxyxr求任意点处电通量密度的散度求任意点处电通量

18、密度的散度D，并求穿出，并求穿出r为半径的球面为半径的球面的电通量的电通量e 解解 222 3/24()xyzqxxyyzzDxDyDzDxyz例例2022-12-11265222/522222/32222/322234)(3)(14)(4rxrqzyxxzyxqzyxxxqxDx52252234,34rzrqzDryrqyDzy2022-12-11272222533()04yxzDDDqrxyzDxyzr 可见，除点电荷所在源点（可见，除点电荷所在源点（r=0r=0）外，空间各点的电通量密度散）外，空间各点的电通量密度散度均为零。度均为零。32224444esssqD dsr rdsrqqd

19、srqrr 这证明在此球面上所穿过的电通量这证明在此球面上所穿过的电通量 的源正是点电荷的源正是点电荷q。e2022-12-1128球面球面S上任意点的位置矢量为上任意点的位置矢量为,r rz zyyxxr试利用散度定理计算试利用散度定理计算 Sdsr解解：3zzyyxxr3343343SVVr dsrdvdvrr 例例：2022-12-1129 矢量矢量A A沿某封闭曲线的线沿某封闭曲线的线积分积分,定义为定义为A A沿该曲线的环沿该曲线的环量量(或旋涡量或旋涡量),),记为记为 lA dl 1.3 1.3 环量与旋度环量与旋度,斯托克斯定理斯托克斯定理Curl,circulation,Th

20、e Curl,circulation,The Stokess theoremStokess theorem1.3.11.3.1 环量环量 Curl of a vector fieldCurl of a vector field2022-12-1130为反映给定点附近的环量情况为反映给定点附近的环量情况,我们把封闭曲线收小我们把封闭曲线收小,使它包围使它包围的面积的面积 S S趋近于零趋近于零,取极限取极限 0limlSA dlS 这个极限的意义就是环量的面密度这个极限的意义就是环量的面密度,或称环量强度。或称环量强度。由于面元是有方向的由于面元是有方向的,它与封闭曲线它与封闭曲线l l的绕行方

21、向成右手螺旋关系的绕行方向成右手螺旋关系,因此在给定点处因此在给定点处,上述极限值对于不同的面元是不同的。上述极限值对于不同的面元是不同的。为此为此,引入引入旋度旋度(curlcurl或或rotationrotation):):1.3.2 1.3.2 旋度的定义和运算旋度的定义和运算1 1、定义：、定义：2022-12-1131max0 limlSA dlCurl AnS 2 2、旋度的物理意义、旋度的物理意义1)矢量矢量A的旋度是一个矢量的旋度是一个矢量,其大小是矢量其大小是矢量A在给定点处的最大在给定点处的最大环量面密度环量面密度,其方向就是当面元的取向使环量面密度最大时其方向就是当面元的

22、取向使环量面密度最大时,该面元矢量的方向该面元矢量的方向 。2)它描述它描述A在该点处的在该点处的旋涡源强度旋涡源强度。3)若某区域中各点若某区域中各点curl A=0,称称A为为无旋场或保守场无旋场或保守场。n 2022-12-1132矢量矢量A A的旋度可表示为的旋度可表示为密勒密勒算子算子 与与A A的矢量积的矢量积,即即 curl AA 计算计算A A时时,先按矢量积规则展开先按矢量积规则展开,然后再作微分运算然后再作微分运算,得得 yAxAzxAzAyzAyAxAzAyAxzzyyxxAxyzxyzzyx)(3 3、旋度的计、旋度的计算算2022-12-1133第一章 矢 量 分 析

23、 xyzxyzAxyzAAA即即 2022-12-11344 4、旋度运算规则旋度运算规则:2()()()()0()ABABAAAA BBAABAAAA 在直角坐标系中有在直角坐标系中有 2222xyzAxAyAzA 2022-12-1135()0 A任一矢量场任一矢量场 A A 的旋度的散度一定等于零的旋度的散度一定等于零 。任一无散场可以表示为另一矢量场的旋度。任一无散场可以表示为另一矢量场的旋度。0BB A任何旋度场一定是无散场任何旋度场一定是无散场2022-12-1136 一个矢量场的旋度是一个矢量函数，而一个矢量场的散度一个矢量场的旋度是一个矢量函数，而一个矢量场的散度是一个标量函数

24、；是一个标量函数；旋度描述的是矢量场中各点的场量与涡旋源的关系，而散旋度描述的是矢量场中各点的场量与涡旋源的关系，而散度描述的是矢量场中各点的场量与通量源的关系；度描述的是矢量场中各点的场量与通量源的关系；如果矢量场所在的全部空间中，场的旋度处处为零，则这如果矢量场所在的全部空间中，场的旋度处处为零，则这种场中不可能存在旋涡源，因而称之为种场中不可能存在旋涡源，因而称之为无旋场无旋场（或保守场）（或保守场）；如果矢量场所在的全部空间中，场的散度处处为零，则这；如果矢量场所在的全部空间中，场的散度处处为零，则这种场中不可能存在通量源，因而称之为种场中不可能存在通量源，因而称之为无源场无源场（或管

25、形场）（或管形场）；在旋度公式中，矢量场的场分量在旋度公式中，矢量场的场分量A Ax x、A Ay y、A Az z分别只对与其分别只对与其垂直方向的坐标变量求偏导数，所以矢量场的旋度描述的是垂直方向的坐标变量求偏导数，所以矢量场的旋度描述的是场分量在与其垂直的方向上的变化规律；场分量在与其垂直的方向上的变化规律；在散度公式中，矢量场的场分量在散度公式中，矢量场的场分量A Ax x、A Ay y、A Az z分别只对分别只对x x、y y、z z求偏导数，所以矢量场的散度描述的是场分量沿着各自方求偏导数，所以矢量场的散度描述的是场分量沿着各自方向上的变化规律。向上的变化规律。4 4、旋度与散度

26、的区别、旋度与散度的区别：2022-12-1137因为旋度代表单位面积的环量因为旋度代表单位面积的环量,因此矢量场在闭曲线因此矢量场在闭曲线l l上的环上的环量就等于量就等于l l所包围的曲面所包围的曲面S S上的旋度之总和上的旋度之总和,即即 ()slAdsA dl此式称为此式称为斯托克斯斯托克斯(Stokes(Stokes)定理或定理或斯托克斯公式斯托克斯公式。它可将矢量旋度的面积分变换为该矢量的线积分它可将矢量旋度的面积分变换为该矢量的线积分,或反之。或反之。1.3.3 1.3.3 斯托克斯定理斯托克斯定理 The The Stokess Stokess theoremtheorem20

27、22-12-1138自由空间中的点电荷自由空间中的点电荷q q所产生的电场强度为所产生的电场强度为 3222 3/20044()qqxxyyzzErrxyz求任意点处求任意点处(r r0)0)电场强度的旋度电场强度的旋度E E。例例2022-12-11390333333033344xyzqExyzxyzrrrqzyxxyyrzrzrzyxzx rx ryr 解解：2022-12-1140可见可见,向分量为零向分量为零;同样同样,向和向和 向分量也都为零。向分量也都为零。故故 x y z 0E这说明点电荷产生的电场是无旋场。这说明点电荷产生的电场是无旋场。因因535333ryzryzryzrzy

28、2022-12-1141证明下述矢量斯托克斯定理：证明下述矢量斯托克斯定理：()VsA dvA ds 式中式中S S为包围体积为包围体积V V的封闭面。的封闭面。证证 设设C C为一任意常矢，则为一任意常矢，则)()()()(ACACCAAC从而有从而有dvACdvACVV)()(（1-37）例例1.41.42022-12-1142根据散度定理，上式左边等于根据散度定理，上式左边等于SSSdsACCdsAdsAC)()(于是得于是得VSdsACdvAC)(由于上式中常矢由于上式中常矢C C是任意的，故式（是任意的，故式（1-371-37）必成立。）必成立。2022-12-1143coscosc

29、oszyxlcoscoscoszyxlzzlyylxxl1.4 1.4 方向导数与梯度方向导数与梯度,格林定理格林定理标量场标量场(x,y,z)在某点沿在某点沿l方向的变化率称为方向的变化率称为沿该方向的方向导数沿该方向的方向导数 。它的值与所选取的方向。它的值与所选取的方向 有关有关,设设 l /l方向导数方向导数一、方向导数与梯度一、方向导数与梯度2022-12-1144),cos(|lllgradxyzxyzxyzxyz 梯度梯度 gradientgradient1.1.是一个矢量是一个矢量2.2.的模就是的模就是在给定点的最大方向导数在给定点的最大方向导数3.3.方向就是该具有最大方向

30、导数的方向方向就是该具有最大方向导数的方向,亦即亦即的变的变化率最大的方向。化率最大的方向。2022-12-114522222220)()(zyxff)(1)()(2梯度运算规则梯度运算规则:2022-12-11462 2、梯度的物理意义、梯度的物理意义1)1)、标量场的梯度为一矢量，且是坐标位置的函数；、标量场的梯度为一矢量，且是坐标位置的函数；2)2)、标量场的梯度表征标量场变化规律：其方向为标量场、标量场的梯度表征标量场变化规律：其方向为标量场增加最快的方向，其幅度表示标量场的最大增加率。增加最快的方向，其幅度表示标量场的最大增加率。任一标量场任一标量场 的梯度的旋度一定等于零的梯度的旋

31、度一定等于零。任一无旋场一定可以表示为一个标量场的梯度任一无旋场一定可以表示为一个标量场的梯度任何梯度场一定是无旋场任何梯度场一定是无旋场。梯度的重要性质梯度的重要性质0u 0AuA2022-12-1147将散度定理中矢量将散度定理中矢量A A表示为某标量函数的梯度表示为某标量函数的梯度 与另一标量函与另一标量函数数 的乘积的乘积,则有则有 2)(A取上式在体积取上式在体积V V内的积分内的积分,并应用散度定理并应用散度定理,得得 dsndsndvssV)()(2二、二、格林定理格林定理 The The Greens Greens theoremtheorem(1)沿沿n n方向的方向导数方向

32、的方向导数格林格林(G.Green)G.Green)第一第一恒等式恒等式 Greens first identityGreens first identity 2022-12-1148dsndsndvssV)()(2S是包围体积是包围体积V的封闭面的封闭面,是封闭面是封闭面S的外法线方向单位矢的外法线方向单位矢量。量。适用于适用于在体积在体积V内具有连续二阶偏导数的标量函数内具有连续二阶偏导数的标量函数和和n(2)(2)说明：说明：把式中的把式中的 与与 交换位置交换位置,有有 格林第二格林第二恒等式恒等式 Greens first identityGreens first identity

33、2022-12-1149(1)(2)(1)(2)两式相减两式相减 得得 dsnndsndvssV)()(22设矢量函数设矢量函数P P和和Q Q在封闭面在封闭面S S所包围的体积所包围的体积V V内有连续的二阶偏导内有连续的二阶偏导数数,则有则有 sVdsQPdvQPQP)()()(矢量格林定理矢量格林定理2022-12-1150sVdsPQQPdvQPPQ)()()(矢量格林第二定理矢量格林第二定理:利用上述格林定理利用上述格林定理,可以将体积可以将体积V V中场的求解问题变换为边界中场的求解问题变换为边界S S上场的求解问题。上场的求解问题。如果已知其中一个场的分布特性如果已知其中一个场的

34、分布特性,便可利用格林定理求解另一便可利用格林定理求解另一场的分布特性。场的分布特性。2022-12-1151参看图参看图1,1,场点场点P P(x,y,zx,y,z)与源点与源点P P(x x,y y,z z)间的距离为间的距离为|R R|,试证试证 11RR 这里这里 表示对带撇坐标表示对带撇坐标(x x,y y,z z)作微分运算作微分运算(将将P P取为定点取为定点,P P 为动点为动点):):zzyyxx例：例：2022-12-1152证证 222 1/22221/2222 3/2()()()()()()1()()()()()()()()()Rrrx xxy yyz zzRxxyyz

35、 zzxyzxxxyzRyyzzx xxy yyz zzxxyyzz2022-12-1153即即 31RRR 同理可得同理可得 RRRRR11132022-12-1154例例:2220,4),(zyxrrqzyx求求P P点的电位梯度点的电位梯度。解解 ：3001(,)44qqx y zrrr E 在点电荷在点电荷q q的静电场中的静电场中,P P(x,y,zx,y,z)点的电位为点的电位为 2022-12-1155图图 1-8 1-8 柱坐标系柱坐标系 1.5 1.5 曲面坐标系曲面坐标系1.5.1 1.5.1 圆柱坐标系圆柱坐标系Cylindrical coordinate Cylindr

36、ical coordinate systemsystem x y z O P(,z)z z三个单位矢量：三个单位矢量：,z 矢量矢量P P三个坐标分量三个坐标分量,z z200各物理量的变化范围：各物理量的变化范围：一、坐标系一、坐标系2022-12-1156么么么么方面 Sds绝对是假的么么么么方面 Sds绝对是假的2022-12-1158 矢量矢量A A在柱坐标系中在柱坐标系中的的表示为表示为：zAAAzA以坐标原点为起点以坐标原点为起点,指向指向P P点的矢量点的矢量r r,称为称为P P点的点的位置矢量或矢径位置矢量或矢径。在柱坐标系中在柱坐标系中P P点的位置矢量是点的位置矢量是 r

37、zz 对任意的增量对任意的增量d,d,dz,P点位置沿点位置沿 ,方向的长方向的长度增量度增量(长度元长度元)分别为分别为 z dzdlddlddlz,三者总保持正交关系三者总保持正交关系,并遵循右手螺旋法则并遵循右手螺旋法则:z 位置矢量位置矢量二、矢量表示及相关物理量的表示二、矢量表示及相关物理量的表示长度增量长度增量(长度元长度元)2022-12-1159每个坐标长度增量每个坐标长度增量同各自坐标增量之比同各自坐标增量之比,称为度量系数称为度量系数,又称拉又称拉梅梅(G.Lame)(G.Lame)系数系数,分别为分别为 1,1321dzdlhddlhddlhz与三个单位矢量相垂直的三个面

38、积元和体积元分别是与三个单位矢量相垂直的三个面积元和体积元分别是 dddldldsdzddldldsdzddldldszzzdzdddldldldvz度量系数度量系数(拉梅拉梅系系数数)：面积元和体积元面积元和体积元：2022-12-1160图 1-9 球面坐标系 1.5.2 1.5.2 球面坐标系球面坐标系 Spherical coordinate Spherical coordinate systemsystem y O z x P(r,)r r三个单位矢量：三个单位矢量：,z 矢量矢量P P三个坐标分量三个坐标分量,r 0002r 各物理量的变化范围：各物理量的变化范围：一、坐标系一、坐

39、标系2022-12-1161遵循右旋法则遵循右旋法则:r矢量矢量A A在球坐标系中在球坐标系中的的表示表示：AAArAr二、矢量表示及相关物理量的表示二、矢量表示及相关物理量的表示长度增量长度增量(长度元长度元),sinrdldr dlrddlrd 度量系数度量系数：sin,1321rddlhrddlhdrdlhr2022-12-1162面积元和体积元面积元和体积元：rdrddldldsdrdrdldldsddrdldldsrrrsinsin2dddrrdldldldvrsin22022-12-1163图图 1-10 1-10 三种坐标间的变换三种坐标间的变换 1.5.3 1.5.3 三种坐标

40、的变换及场论表示式三种坐标的变换及场论表示式2022-12-1164直角坐标柱坐标直角坐标柱坐标cossinsincosxyxyzz cossinsincosxyzz2022-12-1165直角坐标球坐标直角坐标球坐标sincossinsincossincoscoscoscossinsinrxyzxyxyz 2022-12-1166 在柱坐标中三个长度元分别为在柱坐标中三个长度元分别为d d ,d d 和和dz,dz,因而其算子因而其算子相应地换为相应地换为 zz1球坐标长度元为球坐标长度元为d dr r,r rd d 和和r r sinsin d d,故其算子为故其算子为 sin11rrr

41、算子算子 123112233uuuh uh uh u 2022-12-1167柱坐标中矢量柱坐标中矢量A A的散度和旋度的散度和旋度zAAAAzAAzzAzz1)(1)(1zAAAzzA1 为了对矢量函数求导为了对矢量函数求导,一个常用的公式是一个常用的公式是 111)(uAuAuA2022-12-1168球球坐标中矢量坐标中矢量A A的散度和旋度的散度和旋度ArArArrrArsin1sin1)(122ArrAArrrrrArsinsinsin122022-12-1169在一对相距为在一对相距为l l的点电荷的点电荷+q q和和-q q(电偶极子电偶极子)的静电场中的静电场中,距离距离rlr

42、l处的电位为处的电位为 cos4),(20rqlr求其电场强度求其电场强度E E(r,r,)。解解 ：sin4cos42sin11),(3030rqlrqlrrrrrrE例例 1.71.72022-12-1170亥姆霍兹定理的简化表述如下亥姆霍兹定理的简化表述如下:若矢量场若矢量场F F在无限空间中处处在无限空间中处处单值单值,且其导数连续有界且其导数连续有界,而源分布在有限区域中而源分布在有限区域中,则矢量场由则矢量场由其散度和旋度唯一地确定。其散度和旋度唯一地确定。并且并且,它可表示为一个标量函数它可表示为一个标量函数的梯度和一个矢量函数的旋度之和的梯度和一个矢量函数的旋度之和,即即 AF

43、1.6 1.6 亥姆霍兹定理亥姆霍兹定理2022-12-1171二二.矢量场的分类矢量场的分类根据矢量场的散度和旋度值是否为零进行分类：根据矢量场的散度和旋度值是否为零进行分类：1)1)调和场调和场 若矢量场若矢量场F F在某区域在某区域V V内，处处有：内，处处有：F F=0=0和和F F=0=0 则在该则在该区域区域V V内，场内，场F F为调和场。为调和场。注意：不存在在整个空间内散度和旋度处处均为零的矢量场。注意：不存在在整个空间内散度和旋度处处均为零的矢量场。调和场，有源无旋场，无源有旋场，有源有旋场调和场，有源无旋场，无源有旋场，有源有旋场2022-12-1172如果如果 ，则称矢

44、量场，则称矢量场F为无旋场。无旋场为无旋场。无旋场F可以表示可以表示为另一个标量场的梯度，即为另一个标量场的梯度，即0F uF函数函数u u称为无旋场称为无旋场F F的标量位函数，简称标量位。的标量位函数，简称标量位。无旋场无旋场F F沿闭合路径沿闭合路径C C的环量等于零，即的环量等于零，即0CdlF这一结论等价于无旋场的曲线积分这一结论等价于无旋场的曲线积分 与路径无关，与路径无关，只与起点只与起点P P和终点和终点Q Q有关。有关。标量位标量位u u的积分表达式：的积分表达式：2)2)有源无旋场有源无旋场 QpF dl2022-12-1173由由 ，有，有uFQQQPPPudu ddll

45、 Fll()()QPduu Pu Q 2022-12-1174AFSd0SFGFgF函数函数A A称为无源场称为无源场F F的矢量位函数，简称的矢量位函数，简称矢量位矢量位。无源场无源场F F通过任何闭合曲面通过任何闭合曲面S S的通量等于零的通量等于零，即，即4)有源有旋场有源有旋场一般的情况下，如果在矢量场一般的情况下，如果在矢量场F F的散度和旋度都不为的散度和旋度都不为零，即零，即 如果如果 ，则称矢量场，则称矢量场F为无源场。无源场为无源场。无源场F可以表示可以表示为另一个矢量场的旋度，即为另一个矢量场的旋度，即0 F3)3)无源有旋场无源有旋场2022-12-1175可将矢量场可将

46、矢量场F F表示为一个无源场表示为一个无源场F Fs s和无旋场和无旋场F Fi i 的叠加，即的叠加，即isFFF其中其中F Fs s和和F Fi i分别满足分别满足 GFFss00FFiiguisFAF于是于是 AFu因而，可定义一个标量位函数因而，可定义一个标量位函数u u和矢量位函数和矢量位函数A A，使得，使得 2022-12-1176常用的矢量恒等式)()()(BACACBCBA)()()(BACCABCBAVVVAAAAAA)()()(BAABBAuu22022-12-1177AAA2)()(0u0AVdsAAdvlsdlAdsA)(2022-12-1178矢量分析小结基本内容基

47、本内容 矢量场的表示方法和代数运算和乘矢量场的表示方法和代数运算和乘积运算积运算 矢量场的散度和旋度矢量场的散度和旋度 标量场的梯度标量场的梯度 曲面坐标系曲面坐标系 亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程2022-12-1179v基本要求基本要求1.1.掌握矢量在正交坐标系中的表示方法掌握矢量在正交坐标系中的表示方法2.2.掌握矢量的代数运算及其在坐标系中的物理意义掌握矢量的代数运算及其在坐标系中的物理意义3.3.掌握矢量积、标量积的计算掌握矢量积、标量积的计算4.4.了解矢量场散度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌了解矢量场散度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌握散度定理的内容，并能熟练运用。握散度

48、定理的内容，并能熟练运用。5.5.了解矢量场旋度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌了解矢量场旋度的定义，掌握其计算方法和物理意义；掌握斯托克斯公式的内容，并能数量应用。握斯托克斯公式的内容，并能数量应用。2022-12-11806.6.了解标量场的梯度的定义，掌握其计算方法和物理意义了解标量场的梯度的定义，掌握其计算方法和物理意义7.7.正确理解标量格林定理和矢量格林定理的内容，并学会应正确理解标量格林定理和矢量格林定理的内容，并学会应用用8.8.了解曲面坐标系中矢量的表示方法、三种坐标系的转换了解曲面坐标系中矢量的表示方法、三种坐标系的转换9.9.了解曲面坐标系中散度、旋度的表示线元、面积

49、元、体积了解曲面坐标系中散度、旋度的表示线元、面积元、体积元的表示元的表示10.10.正确理解亥姆霍兹定理的内容，并能正确应用。正确理解亥姆霍兹定理的内容，并能正确应用。2022-12-1181本章重要公式)()()(zzyyxxBAzBAyBAxBAABaBABAcosABaBAnBAsinzAyAxAzyxAdivVdsAAdv2022-12-1182zyxAAAzyxzyxAlsdlAdsA)(zzyyxxgrad),cos(|lll2022-12-1183dsndsndvssV)()(22022-12-1184例例 利用直角坐标，证明利用直角坐标，证明 fffAAAAAAAffAzfA

50、yfAxzfAzAfyfAyAfxfAxAfzfAyfAxfAzAyAxAfzzfyyfxxfzAyAxAfffzyxzzyyxxzyxzyxzyx证明：证明：2022-12-1185例：例：给定两矢量给定两矢量A A=2=2e ex x+3+3e ey y-4-4e ez z和和B B=4=4e ex x-5-5e ey y+6+6e ez z ，求它们，求它们之间的夹角和之间的夹角和A A在在B B上的分量。上的分量。解：解：A A与与B B之间的夹角为之间的夹角为 131772931coscos11BABAABA A在在B B上的分量为上的分量为 52.37731BBAAB2022-12