第五节(平面标量场).ppt

1、1.5 平面标量场,在物理和工程上经常需要研究各种各样的场，如电场、声场、 温度场等，这些场随时间而变化，随空间而不同，如果场与时 间无关，则称为恒定场，例如静电场、流体中的定常流速场等。 如果研究的场在空间某方向上是均匀的，只需要在垂直于该方 向的平面上研究它，这样的场叫做平面场。,在没有电荷的区域，静电场的电势满足二维拉普拉斯 方程，这样，电场所处区域的某一解析函数f(z)=u(x,y)+iv(x,y) 的实部或者虚部就可以被用来表示该区域上静电场的电势, 把这一解析函数叫做该平面静电场的复势.它的实部或虚部 就是电势.,一. 平面场,1. 平面静电场,u(x,y)是电势,曲线族u(x,y

2、)=常数是 等势线族,由前面的知识可知,曲线族 v(x,y)=常数垂直于等势曲线族 u(x,y)=常数,因此,v(x,y)=常数正是 电场线族,并且v的值本身具有物理意义,取两点A(x1,y1)和B(x2,y2),任作一曲线连接A和B,如图,计算穿过曲线AB的电通量,(指的是通过一块柱面的电通量，这块柱面跟我们研究的平面 相交于曲线AB，柱面的母线垂直于所研究的平面，柱高位1.),曲线AB的切线方向余弦是,所以法线n的方向余弦是,这样,E法向 E方向,则,v(x,y)在A和B两点所取的值之差就是A和B两点之间穿过的电通 量,函数v(x,y)叫做通量函数,由以上可知,只要给出了复势,就不仅 给出

3、了电势分布,而且还直接给出电场线族的方程、电通量密度 并给出了电荷密度。,同理，在液体的无旋流动中，有所谓平面无旋液流，由于没有 涡旋，速度矢量可以表为某个标量的梯度，这个标量叫做速度势 借助于速度势就可把平面无旋液流问题表为平面标量场问题，在 没有源和汇的区域上，速度势满足拉普拉斯方程，某个区域上的,2. 平面无旋液流,解析函数,f(z)=u(x,y)+iv(x,y),其实部或虚部总可以表示该区域,上某种平面无旋流的速度势，解析函数f(z)就叫做该平面无旋液 流的复势，为确定，设v(x,y)是速度势，则曲线族u(x,y)常数 就是流线族，u(x,y)是流量函数，它在A和B两点所取的值之差 就

4、是A和B两点之间穿过的流量。,同理，在物体的稳定分布中，有所谓平面温度场，均匀物体 中的稳定温度分布满足拉普拉斯方程，因此某个区域上的解析 函数f(z)u(x,y)iv(x,y)的实部或虚部总可以表示该区域上某 种平面温度场的温度分布，为确定设u(x,y)是温度分布，则曲线 族v(x,y)常数就是热流线族，v(x,y)是热流量函数，它在A和B 两点所取的值之差正比于A和B两点之间穿过的热流量。,3. 平面温度场,借用平面温度场的词汇把曲线族u(x,y)常数和v(x,y)常数 叫做等温网,例1,开平面上的解析函数,的实部和虚部分别是,如图，虚线描述曲线族u(x,y)常数 实线描述曲线族v(x,y

5、)常数，后者 包括实轴和虚轴在内,作为平面静电场，是两块互相垂直的很大的带电导体平面的静 电场，实线是等势线，虚线是电场线。作为平面无旋液流来看， 这是液体从虚轴的 方向流来，被x轴阻挡分流的情形，实线 是流线，虚线是等速度势线。,二. 例题,例2,已知平面静电场的电场线为抛物线族，,求等势线,解：,从电场线方程解出参数c,这里取+号,即,电场线方程应该是v(x,y)=常数,V(x,y)=,我们知道v(x,y)必须是调和函数(满足拉普拉斯方程),但,不是调和函数,我们令,F为待定函数关系,把它代入,v=常数,同样可得电场线方程,下面我们由v(x,y)是调和函数这一前提来确定F(t),同理可得,代入拉