等值面与梯度和通量与散度

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1、§02等值面与梯度和通量与散度11.3标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：确定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：2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

2、得到一系列不同的等值面，形成等值面族；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)32.方向导数意义：方向导数表示场沿某方向的空间变化率。概念：——u(M)沿方向增加；——u(M)沿方向减小；——u(M)沿方向无变化。M0M方向导数的概念特点：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？——的方向余弦。式中：4梯度的表达式：圆柱坐标系球坐标系直角坐标系3.标量场的梯度（或）意义

3、：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5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）6解(1)由梯度计算公式，可求得P点的梯度为例1.2.1设一标量函数(x,y,z)=x2＋y2－z描述了空间标量场。试求：(1)该函数在点P(1,1,1)处的梯度，以及表示该梯度方向的单位矢量。

4、(2)求该函数沿单位矢量方向的方向导数，并以点P(1,1,1)处的方向导数值与该点的梯度值作以比较，得出相应结论。7表征其方向的单位矢量(2)由方向导数与梯度之间的关系式可知，沿el方向的方向导数为对于给定的P点，上述方向导数在该点取值为8而该点的梯度值为显然，梯度描述了P点处标量函数的最大变化率，即最大的方向导数，故恒成立。91.4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，其上每一点的切线方向代表了该点矢量场的方向。矢量线OM102.矢量场的通

5、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11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场通过闭合曲面的通量与曲面内产生矢量场的源的关系。通量的物理意义123.矢量场的散度为了定量研究场与源之间的关系，需建立场空间任意点（小体积元）的通量源

6、与矢量场（小体积元曲面的通量）的关系。利用极限方法得到这一关系：称为矢量场的散度。散度是矢量通过包含该点的任意闭合小曲面的通量与曲面元体积之比的极限。13圆柱坐标系球坐标系直角坐标系散度的表达式：散度的有关公式：14直角坐标系下散度表达式的推导由此可知，穿出前、后两侧面的净通量值为不失一般性，令包围P点的微体积V为一直平行六面体，如图所示。则oxy在直角坐标系中计算zzDxDyDP15根据定义，则得到直角坐标系中的散度表达式为同理，分析穿出另两组侧面的净通量，并合成之，即得由点P穿出该六面体的净通量为164.散度定

7、理体积的剖分VS1S2en2en1S从散度的定义出发，可以得到矢量场在空间任意闭合曲面的通量等于该闭合曲面所包含体积中矢量场的散度的体积分，即散度定理是闭合曲面积分与体积分之间的一个变换关系，在电磁理论中有着广泛的应用。17