典型方程和定解條件的推導(dǎo)-1(定稿).ppt

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1、數(shù)學(xué)物理方法一些典型方程和定解條件的推導(dǎo)第一章CaculationsofSomeTypicalEqationswithDifinitecConditions思路數(shù)學(xué)物理方程與特殊函數(shù)一.均勻弦的橫振動方程的建立二.傳輸線方程(電報方程)的建立三.電磁場方程的建立四.熱傳導(dǎo)方程的建立提要：五.舉例第一章一些典型方程和定解條件的推導(dǎo)§1.1基本方程（泛定方程）的建立物理模型（現(xiàn)象、過程）數(shù)學(xué)形式表述（建立偏微分方程并求解）目的：培養(yǎng)分析、歸納、綜合、演繹、抽象、猜測、試探、估算的科學(xué)方法。步驟：(1）確定研

2、究對象（物理量），建立合適的坐標(biāo)系；（2）在系統(tǒng)內(nèi)部，任取一微元，利用物理規(guī)律，分析其與相鄰部分間的作用；（3）忽略次要因素，抓住主要矛盾；（4）化簡整理，得到偏微分方程。不含初始條件不含邊界條件物理狀態(tài)描述:設(shè)有一根均勻、柔軟的細(xì)弦，平衡時沿直線拉緊，除受到重力外，不受其它外力影響，在鉛直平面內(nèi)作橫向、微小振動。平衡位置任意截取一小段，并抽象性夸大。弦的振動：雖然經(jīng)典，但極具啟發(fā)性。一.均勻弦的橫振動方程的建立X1、建立坐標(biāo)系選定微元uodsMNM'N’xx+dx2、微元ds的動力學(xué)方程（牛頓第二運動

3、定律）TT’隔離物體法X1、建立坐標(biāo)系選定微元uodsMNM'N’xx+dx2、微元ds的動力學(xué)方程（牛頓第二運動定律）TT’(1)(2)馬克思在《數(shù)學(xué)手稿》中指出：微分是“揚棄了的或消失了的差值”。哲學(xué)上的“揚棄”是指“既被克服又被保存”，是包含著肯定的否定。在導(dǎo)數(shù)定義中，分子Δy和分母Δx都被揚棄了，就是說，它們都消失為0，從而有限大小的Δx和Δy都被克服，差商但是，它們的依賴關(guān)系（比值）卻保存下來了。我們記揚棄了的（或消失了的）那末，導(dǎo)數(shù)就是導(dǎo)數(shù)——從運動的觀點看導(dǎo)數(shù)的定義導(dǎo)數(shù)關(guān)于函數(shù)的某種形式的

4、極限（實質(zhì)）函數(shù)在某點上的變化率（數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)）某點上切線的斜率（幾何意義）導(dǎo)數(shù)“只有微分學(xué)才能使自然科學(xué)有可能用數(shù)學(xué)來不僅僅表明狀態(tài)，并且也表明過程：運動?！薄鞲袼?《自然辯證法》3、忽略與近似(1)(2)dsTT’o①對于小振動：所以有：3、忽略與近似(1)(2)①對于小振動：于是（1）式變?yōu)椋捍耄?）式變?yōu)椋孩谝话阏f來，，將g略去，上式變?yōu)樯鲜綄嶋H上可以明確表示為：令，于是有：一維波動方程4、整理化簡L＋二.傳輸線方程(電報方程)的建立現(xiàn)在考慮電流一來一往的高頻傳輸線，它被當(dāng)作具有分布參數(shù)的導(dǎo)

5、體,每單位長導(dǎo)線所具有的電阻、電感、電容、電導(dǎo)分別以R、L、C、G表示。對于直流電或低頻的交流電,電路的基爾霍夫（Kirchhoff）定律指出,同一支路中的電流相等。但對于較高頻率的電流（指頻率還未高到顯著輻射電磁波出去的程度），電路導(dǎo)線中的自感和電容的效應(yīng)不能被忽視，因而同一支路中電流呈現(xiàn)瞬態(tài)變化?！瘛裎锢頎顟B(tài)描述:設(shè)如圖傳輸線是分布參數(shù)電路，即傳輸線上電阻R、電感L、電容C和電導(dǎo)G是按單位長度計算其對應(yīng)的物理量，并且在x+dx范圍之內(nèi)的所有元件無論布局如何，均認(rèn)為其長度為dx.電容元件：電感元件：換

6、路定理:在換路瞬間，電容上的電壓、電感中的電流不能突變。電路準(zhǔn)備知識+–LLCC＋－+-●●與同學(xué)們商榷的幾個問題：（P4-5）（1）設(shè)某時刻t，輸入與輸出端的對應(yīng)關(guān)系是否合理?（2）電流作為初始條件，在流經(jīng)電感時是否要變化？（3）按照圖示，電容與電導(dǎo)兩端的電壓如何界定（注意P5.-1.5式）？P——電路的節(jié)點？”是否合理？“另外,由基爾霍夫第一定律,流入節(jié)點的電流應(yīng)等于流出該節(jié)點的電流,即梁昆淼先生的做法：“今考慮一來一往的高頻傳輸線，每單位長一來一往所具有的電阻，電感，電容，電漏分別記以R，L，C，

7、G。于是亦即亦即將作用于第一式,作用于第二式,兩結(jié)果相減,就消去了而得的方程同理,消去,得到的方程設(shè)某時刻t，對應(yīng)關(guān)系如下：左端：；右端:+–LLCC＋－+-輸入端輸出端+–LLCC＋－+-由基爾霍夫電壓定律:由基爾霍夫電流定律:電容上的電流：電感上的電壓：流入流出+–LLCC＋－+-由基爾霍夫電流定律:電容上的電流：電感上的電壓：整理后得到：略去無窮小量得：由基爾霍夫電壓定律:由基爾霍夫電流定律:(1.4)(1.5)聯(lián)立上述兩個方程（代入消元法），注意假定與都對是二次連續(xù)可微的，即可得到：基本電磁場量

8、場的物質(zhì)方程Maxwell方程電場強度磁場強度電感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度介質(zhì)的介電常數(shù)導(dǎo)磁率導(dǎo)電率傳導(dǎo)電流的面密度電荷的體密度Vectordifferenceoperator三.電磁場方程的建立補充資料補充資料補充資料目標(biāo):利用上述關(guān)系,分別解出、。由將代入上式，得對上式兩邊求旋度，得再將代入上式，得這是一個關(guān)于磁場強度的二階微分方程為進(jìn)一步化簡，利用Hamilton算子的運算性質(zhì)磁場強度、磁感應(yīng)強度的散度為零。如法炮制，可得關(guān)于電場強度的方程如