新讲 第17章 场论介绍 第2题

教材习题

📝 题目

例 2 试写出 $\nabla$ 与 $\Delta$ 的柱坐标表示.

💡 答案解析

解 我们知道,联系直角坐标(x, y, z)与柱坐标 $\left( {r,\theta ,z}\right)$ 的变换公式是

$$ \left\{ \begin{array}{l} x = r\cos \theta , \\ y = r\sin \theta , \\ z = z. \end{array}\right. $$

计算柱坐标的拉梅系数得:

$$ {h}_{1} = \sqrt{{\left( \frac{\partial x}{\partial r}\right) }^{2} + {\left( \frac{\partial y}{\partial r}\right) }^{2} + {\left( \frac{\partial z}{\partial r}\right) }^{2}} = 1, $$

$$ {h}_{2} = \sqrt{{\left( \frac{\partial x}{\partial \theta }\right) }^{2} + {\left( \frac{\partial y}{\partial \theta }\right) }^{2} + {\left( \frac{\partial z}{\partial \theta }\right) }^{2}} = r, $$

$$ {h}_{3} = 1\text{ . } $$

对于数量值函数 $u = u\left( {r,\theta ,z}\right)$ 与向量值函数

$$ \mathbf{U} = {u}_{1}\left( {r,\theta ,z}\right) {\mathbf{e}}_{r} + {u}_{2}\left( {r,\theta ,z}\right) {\mathbf{e}}_{\theta } + {u}_{3}\left( {r,\theta ,z}\right) {\mathbf{e}}_{z} $$

我们有

$$ \nabla u = \frac{\partial u}{\partial r}{\mathbf{e}}_{r} + \frac{1}{r}\frac{\partial u}{\partial \theta }{\mathbf{e}}_{\theta } + \frac{\partial u}{\partial z}{\mathbf{e}}_{z}, $$

$$ \nabla \cdot \mathbf{U} = \frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}\left( {r{u}_{1}}\right) + \frac{1}{r}\frac{\partial {u}_{2}}{\partial \theta } + \frac{\partial {u}_{3}}{\partial z}, $$

$$ \nabla \times \mathbf{U} = \frac{1}{r}\left| \begin{matrix} {\mathbf{e}}_{r} & r{\mathbf{e}}_{\theta } & {\mathbf{e}}_{z} \\ \frac{\partial }{\partial r} & \frac{\partial }{\partial \theta } & \frac{\partial }{\partial z} \\ {u}_{1} & r{u}_{2} & {u}_{3} \end{matrix}\right| , $$

$$ {\Delta u} = \frac{1}{r}\frac{\partial }{\partial r}\left( {r\frac{\partial u}{\partial r}}\right) + \frac{1}{{r}^{2}}\frac{{\partial }^{2}u}{\partial {\theta }^{2}} + \frac{{\partial }^{2}u}{\partial {z}^{2}}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:写出直角坐标与柱坐标的变换公式
直角坐标(x,y,z)与柱坐标(r,θ,z)的变换公式为:x = r cosθ, y = r sinθ, z = z。
公式:x = r cosθ, y = r sinθ, z = z
提示:注意柱坐标中z与直角坐标z相同。
步骤 2/6
目标:计算柱坐标的拉梅系数
拉梅系数h_i = sqrt((∂x/∂q_i)^2 + (∂y/∂q_i)^2 + (∂z/∂q_i)^2),其中q1=r, q2=θ, q3=z。计算得h1=1, h2=r, h3=1。
公式:h1=1, h2=r, h3=1
提示:注意h2是r,不是1。
步骤 3/6
目标:写出梯度∇u的柱坐标表示
梯度公式:∇u = (1/h1) ∂u/∂r e_r + (1/h2) ∂u/∂θ e_θ + (1/h3) ∂u/∂z e_z,代入拉梅系数得∇u = ∂u/∂r e_r + (1/r) ∂u/∂θ e_θ + ∂u/∂z e_z。
公式:∇u = ∂u/∂r e_r + (1/r) ∂u/∂θ e_θ + ∂u/∂z e_z
提示:注意分母有拉梅系数。
步骤 4/6
目标:写出散度∇·U的柱坐标表示
散度公式:∇·U = (1/(h1h2h3)) [∂(h2h3 u1)/∂r + ∂(h1h3 u2)/∂θ + ∂(h1h2 u3)/∂z],代入拉梅系数得∇·U = (1/r) ∂(r u1)/∂r + (1/r) ∂u2/∂θ + ∂u3/∂z。
公式:∇·U = (1/r) ∂(r u1)/∂r + (1/r) ∂u2/∂θ + ∂u3/∂z
提示:注意u2对应的项分母有r。
步骤 5/6
目标:写出旋度∇×U的柱坐标表示
旋度公式用行列式表示:∇×U = (1/(h1h2h3)) | e1 h1, e2 h2, e3 h3; ∂/∂q1, ∂/∂q2, ∂/∂q3; h1 u1, h2 u2, h3 u3 |,代入拉梅系数得∇×U = (1/r) | e_r, r e_θ, e_z; ∂/∂r, ∂/∂θ, ∂/∂z; u1, r u2, u3 |。
公式:∇×U = (1/r) | e_r, r e_θ, e_z; ∂/∂r, ∂/∂θ, ∂/∂z; u1, r u2, u3 |
提示:注意第二列有r因子。
步骤 6/6
目标:写出拉普拉斯算子Δu的柱坐标表示
拉普拉斯算子:Δu = (1/(h1h2h3)) [∂(h2h3/h1 ∂u/∂r)/∂r + ∂(h1h3/h2 ∂u/∂θ)/∂θ + ∂(h1h2/h3 ∂u/∂z)/∂z],代入拉梅系数得Δu = (1/r) ∂(r ∂u/∂r)/∂r + (1/r^2) ∂²u/∂θ² + ∂²u/∂z²。
公式:Δu = (1/r) ∂(r ∂u/∂r)/∂r + (1/r^2) ∂²u/∂θ² + ∂²u/∂z²
提示:注意第二项分母有r^2。

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