第一章 矢量分析ppt课件.ppt

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1、第一章矢量分析1本章内容1.1矢量代数1.2三种常用的正交曲线坐标系1.3标量场的梯度1.4矢量场的通量与散度1.5矢量场的环流与旋度1.6无旋场与无散场1.7拉普拉斯运算与格林定理1.8亥姆霍兹定理21.标量和矢量矢量的大小或模：矢量的单位矢量：标量：一个只用大小描述的物理量。矢量的代数表示：1.1矢量代数矢量：一个既有大小又有方向特性的物理量，常用黑体字母或带箭头的字母表示。矢量的几何表示：一个矢量可用一条有方向的线段来表示注意：单位矢量不一定是常矢量。矢量的几何表示常矢量：大小和方向均不变的矢量。

2、3矢量用坐标分量表示zxy4（1）矢量的加减法两矢量的加减在几何上是以这两矢量为邻边的平行四边形的对角线,如图所示。矢量的加减符合交换律和结合律2.矢量的代数运算矢量的加法矢量的减法在直角坐标系中两矢量的加法和减法：结合律交换律5（2）标量乘矢量（3）矢量的标积（点积）——矢量的标积符合交换律q矢量与的夹角6（4）矢量的矢积（叉积）qsinABq矢量与的叉积用坐标分量表示为写成行列式形式为若，则若，则7（5）矢量的混合运算——分配律——分配律——标量三重积——矢量三重积8三维空间任意一点的位置可通过三条

3、相互正交曲线的交点来确定。1.2三种常用的正交曲线坐标系在电磁场与波理论中，三种常用的正交曲线坐标系为：直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系。三条正交曲线组成的确定三维空间任意点位置的体系，称为正交曲线坐标系；三条正交曲线称为坐标轴；描述坐标轴的量称为坐标变量。91.直角坐标系位置矢量面元矢量线元矢量体积元坐标变量坐标单位矢量点P(x0,y0,z0)0yy=（平面）oxyz0xx=（平面）0zz=（平面）P直角坐标系xyz直角坐标系的长度元、面积元、体积元odzdydx10圆柱坐标系（半平面）（圆柱面）（平

4、面）2.圆柱坐标系坐标变量坐标单位矢量位置矢量线元矢量度规系数11体积元面元矢量圆柱坐标系中的线元、面元和体积元圆柱坐标系（半平面）（圆柱面）（平面）123.球坐标系坐标变量坐标单位矢量位置矢量线元矢量球坐标系（半平面）（圆锥面）（球面）度规系数13体积元面元矢量球坐标系中的线元、面元和体积元144.坐标单位矢量之间的关系直角坐标与圆柱坐标系圆柱坐标与球坐标系直角坐标与球坐标系ofxy单位圆直角坐标系与柱坐标系之间坐标单位矢量的关系foqrz单位圆柱坐标系与球坐标系之间坐标单位矢量的关系qq151.3标

5、量场的梯度如果物理量是标量，称该场为标量场。例如：温度场、电位场、高度场等。如果物理量是矢量，称该场为矢量场。例如：流速场、重力场、电场、磁场等。如果场与时间无关，称为静态场，反之为时变场。时变标量场和矢量场可分别表示为：空间区域上的每一点都有确定物理量与之对应，称在该区域上定义了一个场。从数学上看，场是定义在空间区域上的函数：标量场和矢量场静态标量场和矢量场可分别表示为：16标量场的等值面等值面:标量场取得同一数值的点在空间形成的曲面。等值面方程：常数C取一系列不同的值，就得到一系列不同的等值面，形成

6、等值面族；标量场的等值面充满场所在的整个空间；标量场的等值面互不相交。等值面的特点：意义:形象直观地描述了物理量在空间的分布状态。标量场的等值线(面)172.方向导数意义：方向导数表示场沿某方向的空间变化率,是标量。定义：M0M方向导数的概念——的方向余弦。式中：18意义：方向导数表示场沿某方向的空间变化率。——u(M)沿方向增加；——u(M)沿方向减小；——u(M)沿方向无变化。特点：方向导数既与点M0有关，也与方向有关。问题：在什么方向上变化率最大、其最大的变化率为多少？M0M方向导数的概念19梯度

7、的表达式：圆柱坐标系球坐标系直角坐标系3.标量场的梯度（或）意义：描述标量场在某点的最大变化率及其变化最大的方向概念：，其中取得最大值的方向20标量场的梯度是矢量场，它在空间某点的方向表示该点场变化最大（增大）的方向，其数值表示变化最大方向上场的空间变化率。标量场在某个方向上的方向导数，是梯度在该方向上的投影。梯度的性质：梯度运算的基本公式：标量场的梯度垂直于通过该点的等值面（或切平面）211.4矢量场的通量与散度1.矢量线意义：形象直观地描述了矢量场的空间分布状态。矢量线方程：概念：矢量线是这样的曲线

8、，其上每一点的切线方向代表了该点矢量场的方向。矢量线OM222.矢量场的通量问题：如何定量描述矢量场的大小？引入通量的概念。通量的概念其中：——面积元矢量；——面积元的法向单位矢量；——穿过面积元的通量。如果曲面S是闭合的，则规定曲面的法向矢量由闭合曲面内指向外，矢量场对闭合曲面的通量是面积元矢量23通过闭合曲面有净的矢量线穿出有净的矢量线进入进入与穿出闭合曲面的矢量线相等矢量场通过闭合曲面通量的三种可能结果闭合曲面的通量从宏观上建立了矢量