10.7_斯托克斯公式__环流量与旋度.ppt

10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度110.7 斯托克斯斯托克斯(stokes)公式公式 环流环流量与量与旋度旋度斯托克斯公式斯托克斯公式物理意义物理意义------环流量与旋度环流量与旋度小结小结 思考题思考题 作业作业circulationcurl 斯托克斯斯托克斯 Stokes,G.G. (1819–1903) 英英国数学家、物理学家国数学家、物理学家第第1010章章 曲线积分与曲面积分曲线积分与曲面积分 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度2斯托克斯公式是微积分基本公式在曲面斯托克斯公式是微积分基本公式在曲面它将定向曲面上的面积分与曲面的定向它将定向曲面上的面积分与曲面的定向积分情形下的推广积分情形下的推广, 也是格林公式在空间的也是格林公式在空间的推广推广,边界曲线上的线积分联系了起来边界曲线上的线积分联系了起来. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度3一、斯托克斯一、斯托克斯(Stokes)公式公式定理定理10.11 设设Γ为分段光滑的空间为分段光滑的空间有向闭曲线有向闭曲线,Σ是以是以Γ为边界的分片光滑的为边界的分片光滑的有向闭曲面有向闭曲面,则有则有斯托克斯公式斯托克斯公式Γ的正向的正向与与Σ的正侧符合右手法则的正侧符合右手法则, 若向量函数若向量函数的三个分量在包含的三个分量在包含曲面曲面Σ在内的一个空间区域内在内的一个空间区域内具有一阶连续偏导数具有一阶连续偏导数, 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度4 即有即有其中其中余弦余弦.是是Σ指定一侧的法向量方向指定一侧的法向量方向斯托克斯公式斯托克斯公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度5Γ的正向与的正向与Σ的正侧法向量符合右手法则的正侧法向量符合右手法则:当右手除拇指外的四指依当右手除拇指外的四指依Γ 的绕行方向时的绕行方向时, 是有向曲面是有向曲面 的的正向边界曲线正向边界曲线右手法则右手法则拇指所指的方向与拇指所指的方向与Σ上法向量的指向相同上法向量的指向相同.是有向曲面是有向曲面Σ的的正向边界曲线正向边界曲线, 称称Γ记为记为 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度6(3) 在坐标面上在坐标面上, 应用格林公式把应用格林公式把(2)得到的平面得到的平面证明思路证明思路(1) 把曲面积分化为坐标面上投影域的二重积分把曲面积分化为坐标面上投影域的二重积分;(2) 把空间闭曲线把空间闭曲线Γ上的曲线积分化为坐标面上上的曲线积分化为坐标面上分三步分三步斯托克斯公式斯托克斯公式的闭曲线积分的闭曲线积分;闭曲线积分化为二重积分闭曲线积分化为二重积分. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度7证证 情形情形1只交于一点只交于一点, 设其方程为设其方程为为确定起见为确定起见, 不妨设不妨设  取上侧取上侧 (如图如图).  与平行与平行z轴的直线轴的直线则则转化为转化为xOy面上的第二类面上的第二类曲线积分曲线积分, 即即格林公式格林公式 斯托克斯公式斯托克斯公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度8另一方面另一方面, 按照第二类曲面积分的按照第二类曲面积分的计算公式计算公式,有有比较以上两式知比较以上两式知斯托克斯公式斯托克斯公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度9 如果如果Σ取取下侧下侧, 由于等式两边同时变号由于等式两边同时变号, 故上式仍然故上式仍然成立成立. 曲面曲面  与平行于与平行于z 轴的直线交点多于一个轴的直线交点多于一个, 则可以在则可以在 上添加上添加辅助曲线辅助曲线, 在每个曲面片上应用上式在每个曲面片上应用上式, 情形情形2然后相加然后相加, 抵消抵消, 即可证上式仍然成立即可证上式仍然成立. 由于沿辅助曲线方向相反的两个曲线积分相加刚好由于沿辅助曲线方向相反的两个曲线积分相加刚好将将  分成有限个符合条件分成有限个符合条件的定向曲面片的定向曲面片,斯托克斯公式斯托克斯公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度10类似可证类似可证 将上述三式两边分别相加将上述三式两边分别相加, 即证即证. 斯托克斯公式斯托克斯公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度11斯托克斯公式斯托克斯公式的又一种形式的又一种形式其中其中Σ的的单位法向量单位法向量为为Γ的的单位切向量单位切向量为为 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度12便于记忆形式便于记忆形式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度13Stokes公式的实质公式的实质 表达了有向曲面上的曲面积分与其表达了有向曲面上的曲面积分与其边界曲线上的曲线积分之间的关系边界曲线上的曲线积分之间的关系.在在Stokes公式的条件中公式的条件中, ,(1) 曲面曲面Σ是定向是定向曲面曲面, 应注意两点应注意两点: :(2) 被积函数被积函数P, Q, R在包含曲面在包含曲面Σ在内的在内的是定向是定向曲曲 线线, 的正向与的正向与Σ的正侧法向量符合右手法则的正侧法向量符合右手法则;具有一阶连续偏导数具有一阶连续偏导数.一个空间区域内一个空间区域内其边界其边界 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度14例例 计算曲线积分计算曲线积分其中其中  为曲线为曲线若从若从x轴正向看过去轴正向看过去,  为取逆时针方向为取逆时针方向.解解 设设 为为  所围的圆盘所围的圆盘,  所在的曲面方程为所在的曲面方程为 取上侧取上侧, 其单位法向量为其单位法向量为 按按斯托克斯公式斯托克斯公式,  10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度15设设 为为  所围的圆盘所围的圆盘  10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度16求力求力沿有向闭曲线沿有向闭曲线  所作的功所作的功,其中其中  为为平面平面 x + y + z = 1 被三个坐标面所截成三被三个坐标面所截成三从从z轴正向看去沿轴正向看去沿顺时针方向顺时针方向.例例 角形的整个边界角形的整个边界,解解 利利用用对对称称性性 法一法一 化为参变量的定积分化为参变量的定积分 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度17求力求力沿有向闭曲线沿有向闭曲线  所作的功所作的功,其中其中  为为平面平面 x + y + z = 1 被三个坐标面所截成被三个坐标面所截成法二法二从从z轴正向看去沿轴正向看去沿顺时针方向顺时针方向.例例 三角形的整个边界三角形的整个边界,解解 利用利用斯托克斯公式斯托克斯公式设设三角形区域为三角形区域为  ,则则方向方向向上向上, 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度18解解法三法三按按斯托克斯公式斯托克斯公式,有有求力求力沿有向闭曲线沿有向闭曲线  所作的功所作的功,其中其中  为为平面平面 x + y + z = 1 被三个坐标面所截成被三个坐标面所截成从从z轴正向看去沿轴正向看去沿顺时针方向顺时针方向.例例 三角形的整个边界三角形的整个边界,设设三角形区域为三角形区域为  , 方向方向向上向上, 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度19 轮轮换换对对称称性性化化为为二二重重积积分分 一投一投二代二代三定号三定号 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度20解解则则计算曲线积分计算曲线积分例例其中其中截立方体截立方体:的表面所得的截痕的表面所得的截痕, 若从若从Ox轴的正向看去轴的正向看去, 取逆时针方向取逆时针方向.取取Σ为平面为平面的的上侧上侧被被Γ所围成的部分所围成的部分.Σ在在xOy面上的投影为面上的投影为Dxy. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度21即即所以所以 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度22其中其中  是平面是平面与柱面与柱面的交线的交线 , 从从z 轴正向看去轴正向看去 ,   为逆时针方向为逆时针方向. 计算计算数学考研题数学考研题 记记   为平面为平面上上  所围部分的上侧所围部分的上侧, D为为  在在 xOy 面上的投影面上的投影.由由斯托克斯公式斯托克斯公式解解 对称性对称性 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度23一般来讲一般来讲, 当具备下列两方面的条件时当具备下列两方面的条件时,小结小结:用用斯托克斯公式斯托克斯公式计算较方便计算较方便.(1) 从积分曲线看从积分曲线看, 若若Γ为一平面和一曲面为一平面和一曲面的交线的交线,这时可考虑将曲线积分化为曲面积分这时可考虑将曲线积分化为曲面积分.由于由于斯托克斯公式与空间曲线斯托克斯公式与空间曲线Γ上所张的曲面上所张的曲面Σ的形状无关的形状无关, 因此可取因此可取Σ为以为以Γ为边界的平面为边界的平面区域区域Σ, 而在平面区域上的曲面积分的计算一而在平面区域上的曲面积分的计算一般较简单般较简单. 注意注意: 由由Γ的正向确定的正向确定Σ的正侧时的正侧时, 必必须符合右手规则须符合右手规则.(2) 从被积函数看从被积函数看, 当当P, Q, R比较简单比较简单. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度24计算曲线积分计算曲线积分其中其中AmB是螺是螺线线上从上从上从上从A(a,0,0)到到B(a,0,h)的一段的一段.设设  是以是以Γ为边界的任一为边界的任一定向光滑曲面定向光滑曲面.提示提示作封闭化处理作封闭化处理:连接直线连接直线BA, 它与它与AB一起一起组成闭曲线组成闭曲线, 记为记为Γ.由由斯托克斯公式斯托克斯公式. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度25计算曲线积分计算曲线积分其中其中AmB是螺是螺线线上从上从上从上从A(a,0,0)到到B(a,0,h)的一段的一段.由由斯托克斯公式斯托克斯公式.解解 所以所以 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度261. .环流量的定义环流量的定义circulationrotation二、物理意义二、物理意义------环流环流量与量与旋度旋度设向量场设向量场其中函数其中函数P, Q, R均连续均连续,段光滑的空间段光滑的空间有向闭曲线有向闭曲线,为为Γ在点在点(x, y, z)处的单处的单Γ为为A的定义域内的一条分的定义域内的一条分位切位切向量向量,则曲线积分则曲线积分称为称为向量场向量场 A 沿有向闭曲线沿有向闭曲线 Γ 的的环流量环流量. . 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度27利用利用Stokes公式公式, 环流量环流量 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度282. 旋度的定义旋度的定义记为记为即即称为称为向量场向量场 A 的的旋度旋度(rotation),设向量场设向量场其中函数其中函数P, Q, R均具有一阶连续偏导数均具有一阶连续偏导数, 则向量则向量 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度29解解例例 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度30斯托克斯公式的向量形式斯托克斯公式的向量形式其中其中或或为曲面为曲面Σ在点在点(x, y, z)处的单位处的单位法向量法向量;为曲线为曲线Γ在点在点(x, y, z)处的单位处的单位切向量切向量. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度31设某刚体绕定轴设某刚体绕定轴 l 转动转动,M为刚体为刚体上任一点上任一点, 建立坐标系如图建立坐标系如图, 则则角速度为角速度为 点点 M 的线速度为的线速度为(此即此即“旋度旋度”一词的由来一词的由来)旋度的力学意义旋度的力学意义 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度32Stokes公式公式的物理解释的物理解释环流量环流量在大气中在大气中, 手中的风车朝哪个方向转动最快手中的风车朝哪个方向转动最快,哪个方向就是风速场的旋度方向哪个方向就是风速场的旋度方向.(Γ的正向与的正向与Σ的侧符合右手法则的侧符合右手法则)向量场向量场 A 沿有向闭曲线沿有向闭曲线 Γ 的环流量等于向量场的环流量等于向量场A的旋度场通过的旋度场通过 Γ 所张的曲面的通量所张的曲面的通量. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度33斯托克斯斯托克斯Stokes公式公式斯托克斯公式的物理意义斯托克斯公式的物理意义—环流量环流量与与旋度旋度三、小结三、小结Stokes公式的实质公式的实质表达了有向曲面上的曲面积分与其边界曲线表达了有向曲面上的曲面积分与其边界曲线上的曲线积分之间的关系上的曲线积分之间的关系.(注意使用的条件注意使用的条件) 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度34Σ是球面是球面 (1) 用对面积的曲面积分用对面积的曲面积分;(2) 用对坐标的曲面积分用对坐标的曲面积分;(3) 用高斯公式用高斯公式;(4) 用斯托克斯公式用斯托克斯公式.的上半部的上半部, Γ是它的边界是它的边界.思考题思考题 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度35 解答解答(1) 对对面面积积的的曲曲面面积积分分 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度36 解答解答(2) 对对坐坐标标的的曲曲面面积积分分Σ是球面是球面 的上半部的上半部, Γ是它的边界是它的边界. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度37(3) 补平面补平面方向朝下方向朝下, 高斯公式高斯公式与与Σ构成构成封闭曲面封闭曲面.Σ是球面是球面 的上半部的上半部, Γ是它的边界是它的边界. 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度38(4) 边界曲线边界曲线Γ:由由斯托克斯公式斯托克斯公式斯托克斯公式斯托克斯公式z = 0 平面内一圆平面内一圆所以所以逆时针逆时针.Γ的参数方程的参数方程: 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度39(4) 边界曲线边界曲线Γ:由由斯托克斯公式斯托克斯公式斯托克斯公式斯托克斯公式z = 0 平面内一圆平面内一圆或或逆时针逆时针.格林公式格林公式 10.7 斯托克斯公式斯托克斯公式 环流量与旋度环流量与旋度40作作 业业习题习题10.7 (46910.7 (469页页) )。