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  • 1 # 語境思維

    除了初等數學、微積分、複分析等以外,還需要熟練掌握與電動力學相關的向量場與標量場的操作基本功。摘要如下。以下分享一些最重要的。

    理論簡介:

    光電動力學的超對稱原理,主要是指電荷參量(E,D,H,B)與光子參量(m₀,r₀,λ,f)之間的超對稱關係,進而可以把電動力學方程,變成以光子為計算單元的量子力學方程。

    理論依託:

    1.1 向量乘法

    兩個向量A與B在正交軸的分向量是(A₁A₂A₃)與(B₁B₂B₃),記作:

    A=A₁ε₁+A₂ε₂+A₃ε₃=ΣAiεi (i=1~3)

    B=B₁ε₁+B₂ε₂+B₃ε₃=ΣBiεi (i=1~3)......(1.1-1)

    式中,εi是基矢。基矢下標(1,2,3)代表直角座標(x,y,z)或球面座標(r,θ,φ)。

    向量乘法包括:點乘、叉乘、張量積。

    1.1.1 點乘或標量積→標量

    A·B=ABcosθ......(1.1-2)

    AB叫標量積或模之積,θ叫轉角或幅角。

    交換律:A·B=B·A......(1.1-3)

    結合律:mA·nB=mnAB......(1.1-4)

    分配律:A·(B+C)=A·B+A·C......(1.1-5)

    Rt系中:A·B=A₁B₁+A₂B₂+A₃B₃......(1.1-6)

    1.1.2 叉乘或向量積→向量

    A×B=ABsinθn......(1.1-7)

    n是從A轉向B且按右手螺旋前進的單位向量。

    互反律:A×B=-B×A......(1.1-8)

    分配律:A×(B+C)=A×B+A×C......(1.1-9)

    Rt系中:A×B=△₁ε₁+△₂ε₂+△₃ε₃......(1.1-10)

    其中:

    △₁=A₂B₃-A₃B₂, △₂=A₃B₁-A₁B₃, △₃=A₁B₂-A₂B₁

    例1. 點差乘=標量

    A·(B×C)=C·(A×B)=B·(C×A)......(1.1-11)

    按迴圈次序輪換,三向量有輪換對稱性。

    例2. 三叉乘=向量

    A×B×C=B(A·C)-C(A·B)......(1.1-12)

    1.1.3 向量的張量積=度規張量積

    又叫並矢,即兩向量A,B並列,中間無點叉。

    τ=AB=ΣAiBjεiεj......(1.1-13)

    詳見張量簡介。

    1.2 標量場的梯度=向量

    物理參量的空間分佈叫場。標量場,如溫度場、能量場、電勢場。向量場,如電場強度之E場、磁感應強度之B場。

    溫度場描述空間各點溫度,T(xyz)是溫度場函式,若從某點出發經過dl之後,有

    dT=əT/əxdx+əT/əydy+əT/əzdz......(1.2-1)

    ∵ dl=dxεx +dyεy+dzεz,ε是單位向量

    ∴ dT=(əT/əxεx+əT/əyεy+əT/əzεz)·dl

    即:dT=(▽T)·dl=|▽T||dl|cosθ......(1.2-2)

    式中▽T=əT/əxεx+əT/əyεy+əT/əzεz,叫溫度場T(xyz)的梯度。

    當dl沿▽T方向徑向運動時θ=0,dT最大。▽T值,就是場T(xyx)在該點的最大變化率。最大變化率的方向就是▽T的方向。

    梯度▽是帶單位向量的微分算符,只能對右方函式有意義。▽既是向量又是算符。

    寫成:▽=ə/əxεx+ə/əyεy+ə/əzεz

    或:▽=εxə/əx+εyə/əy+εzə/əz...(1.2-3)

    1.3 向量場的(高斯)散度定理

    場F(xyz)透過曲面的通量=場對各點P(xyz)面元dS的積分:

    開曲面的場通量:Φ=ʃʃ F·dS......(1.3-1)

    閉曲面的場通量:Φ=ʃʃ₀F·dS......(1.3-2)

    1.3.1 單位空間通量極限——散度(標量)

    ▽·F=ʃʃ₀F·dS/△V(→0)......(1.3-3)

    若▽·F>0,叫有源場;

    若▽·F=0,叫無源場;

    若▽·F<0,叫漏或匯。

    在Rt座標系中的散度:

    ▽·F=əFx/əx+əFy/əy+əFz/əz...(1.3-4)

    1.3.2 高斯散度定理

    由(1.3-3)的散度定義,可以得到:

    Φ=ʃʃ₀F·dS=ʃʃʃ▽·FdV......(1.3-5)

    表明:向量場F在閉曲面S的通量=內空間V內散度▽·F的體積分,即:面通↹體通。

    1.4 向量場的旋度

    1.4.1 向量場的環流量

    F(xyz)走的閉曲線積分叫該場的環流量,即:

    Γ=ʃ₀F·dl=ʃ₀Fxdx+Fydy+Fzdz......(1.4-1)

    旋度,是單位面積環流量的極限,即:

    ▽×Fₙ=ʃ₀F·dl/△S(→0)......(1.4-2)

    其▽×Fₙ是場F法向最大渦旋量,n=正法向。

    若▽·F≠0,叫有旋場;

    若▽·F=0,叫無旋場。

    在Rt座標系中的旋度:

    ▽×F=(əFz/əy-əFy/əz)εx+(əFx/əz-əFz/əx)εy+(əFy/əx-əFx/əy)εz......(1.4-3)

    1.4.2斯托克斯旋度定理

    按旋度定義(1.4-2),可以得到:

    ʃ₀F·dl=ʃʃ▽×F·dS.....(1.4-4)

    場環流的線積分=場旋度▽×F的面積分。

    1.5 向量場的判定條件

    1.5.1 兩類向量場

    純源場=無旋場=法向場=縱場,特徵:

    ①旋度為零:▽×A=0......(1.5-1)

    ②等於另一標量場梯度:A=▽φ......(1.5-2)

    純旋場=無源場=切向場=橫場,特徵:

    ①散度為零:▽·A=0......(1.5-3)

    ②等於另一向量場旋度:A=▽×F......(1.5-3)

    1.5.2 兩個恆等式

    凡叉乘標量場梯度的必為零,即:

    ▽×(▽·φ)≡0......(1.5-4)

    凡點乘向量場旋度的必為零,即:

    ▽·(▽×F)≡0......(1.5-5)

    1.5.3 亥姆赫茲定理

    ①開放中的向量場,要考慮散度與旋度,

    ②封閉中的向量場,還考慮邊界的法向分量。

    1.6 算符對函式的運算

    1.6.1 微分算符▽作用於三種(場)函式:

    ①標量場φ(xyz)梯度:▽φ

    ②向量場F(xyx)散度:▽·F

    1.6.2 ▽的定義,在直角座標系中,

    ▽=ə/əxεx+ə/əyεy+ə/əzεz,或

    ▽=εxə/əx+εyə/əy+εzə/əz......(1.6-1)

    1.6.3 ▽的兩個性質:

    ①向量性:使右方函式變成向量。例如▽·F是F的散度,F·▽因右方無函式故為非向量。

    ②微分性:三維偏導數的代號。

    1.6.4 ▽的符號讀法

    ①▽=梯/nabla/del=哈符,

    ②△=▽▽=▽²=梯梯/delsquare=拉符

    △=(ə/əxεx+ə/əyεy+ə/əzεz)(ə/əxεx+ə/əyεy+ə/əzεz)=ə²/əx²+ə²/əy²+ə²/əz²

    ∵靠的cosθ=1,∴靠≤點。

    1.6.5 ▽的運算規則

    ①梯靠→標靠標:▽(αβ)=α▽β+β▽α

    ②梯點→標靠矢:▽·(αA)=▽α·A+α▽·A

    ④梯點→矢叉矢:▽·(A×B)=

    =(▽×A)·B-A·(▽×B)

    ⑤梯叉→矢叉矢:▽×(A×B)=

    =[(α·▽)B+(β·▽)]-[(β·▽)A+(α·▽)B]

    ⑥梯靠→矢點矢:▽(A·B)=

    =[A×(▽×B)+(A·▽)B]+[B×(▽×A)+(B·▽)A]

    ⑦梯點→梯靠標:▽·(▽α)=▽²α

    1.6.6 ▽作用於複函式

    ①梯點→標覆函:▽·α(β)=əα/əβ▽β

    ②梯點→矢覆函:▽·A(β)=▽β·əA/əβ

    1.6.7 ▽作用於R函式

    向量:R=r-r"=(x-x")εx+(y-y")εy+(z-z")εz

    標量:|R|=√[(x-x")²+(y-y")²+(z-z")²]

    梯靠:▽R=R/|R|,

    推廣1:▽Rⁿ=n|R|ⁿ⁻²R

    推廣2:▽"R=-R/|R|=-▽R,

    推廣3:▽·R=3,▽×R=0

    例:證明ʃ₀(m×r)·dl=2ʃʃm·dS,其中m為常向量,變向量r=xεx+yεy+zεz,ε為基矢。

    證明如下:

    根據斯托克斯定理:ʃ₀F·dl=ʃʃ▽×F·dS,

    取:F=m×r,

    得:ʃ₀(m×r)·dl=ʃʃ▽×(m×r)·dS,

    根據梯叉矢叉矢:▽×(A×B)=

    =[(α·▽)B+(β·▽)]-[(β·▽)A+(α·▽)B],

    代入有:▽×(m×r)=2m

    所以有:ʃ₀(m×r)·dl=2ʃʃm·dS。

    1.7 張量簡介

    1.7.1 張量的概念

    兩個向量場A(123)與B(123)的座標矩陣乘積,簡稱“並矢/並積”讀作A並B,寫成:

    AB=(A₁ε₁+A₂ε₂+A₃ε₃)(B₁ε₁+B₂ε₂+B₃ε₃)

    =A₁B₁ε₁ε₁+A₁B₂ε₁ε₂+A₁B₃ε₁ε₃+A₂B₁ε₂ε₁+A₂B₂ε₂ε₂+A₂B₃ε₂ε₃+A₃B₁ε₃ε₁+A₃B₂ε₃ε₂+A₃B₃ε₃ε₃......(1.7-1)

    通常:AB≠BA......(1.7-2)

    並矢有9個分向量(Ai靠Bi),寫成行列式:

    A₁B₁(=T₁₁) A₁B₂(=T₁₁) A₁B₃(=T₁₁)

    A₂B₁(=T₂₁) A₂B₂(=T₂₂) A₂B₃(=T₂₃)

    A₃B₁(=T₃₁) A₃B₂(=T₃₂) A₃B₃(=T₃₃)......(1.7-3)

    在三維空間中的9分物理量叫二階張量。並矢是一般二階張量的測度規範,簡稱“度規”。

    一般二階張量:T=ΣTijεiεj......(1.7-4)

    其中,並矢εiεj,可作為T的9個基矢,T的分量=Tij,標量=0階張量,向量=1階張量。

    案例——彈性體應力的張量解釋。

    受力的彈性體,內部分子有複雜的作用力,相鄰之間的相互作用力叫內應力。

    ▲此例只是虛構,真實應力應從分子結構的電子雲所激發的光子分佈來探討。

    任取微小四面體,斜面為面元dσ,有一P點透過dσ,相鄰dσ面的分子受到互反作用力df。其它三面是dσx,dσy,dσz沿三座標軸,大小分別為:|dσx|=dσ·εx,|dσy|=dσy·εy,|dσz|=dσz·εz,相應的作用力為:dfx,dfy,dfz。

    四面體內物質受力平衡:

    df-dfx-dfy-dfz=0......(1.7-5)

    令dσx上應力dfx的分量為dfxx,dfxy,dfxz。考慮到dfx的大小與dσx的大小成正比,有:

    dfx=dfxxεx+dfxyεy+dfxzεz,即

    dfx=dσx(Txxεx+Txyεy+Txzεz),同理

    dfy=dσy(Tyxεx+Tyyεy+Tyzεz),

    dfz=dσz(Tzxεx+Tzyεy+Tzzεz)......(1.7-6)

    式中,Txy是沿x軸的單位面積的前方分子對後方分子作用力的y分量,其餘類推,有:

    df=dfx+dfy+dfz=

    dσx(Txxεx+Txyεy+Txzεz)+

    dσy(Tyxεx+Tyyεy+Tyzεz)+

    dσz(Tzxεx+Tzyεy+Tzzεz)......(1.7-7)

    引入T=ΣTijεiεj,並規定:向量從左點乘T中的第一個單位向量,即:df=dσ·T......(1.7-8)

    這裡的T是一個張量,分量是Tij,i下標是應力面的法向,j下標j是應力面的切向。

    對沿x軸的應力面而言,Txx是法應力(張力/伸縮力),Txy,Txz是切應力(剪力/扭轉力)。

    若Tij的9個分量已知,則對任意方向的dσ對應的df皆可求出,P點的應力就完全清楚了。

    1.7.2 張量的性質

    ①Tij=Tji,叫對稱張量/矩陣,有6獨分量。

    ②Tij=-Tji,反對稱,對角元素=0,有3獨分量。

    1.7.3 張量的運算,有度規T=AB

    換點基:f·(εiεj)=(f·εi)εj......(1.7-10)

    換叉基:f×(εiεj)=(f×εi)εj......(1.7-11)

    同階張:T±D=Σ(Tij±Dij)εiεj......(1.7-12)

    標靠張:αT=Σ(αTij)εiεj......(1.7-13)

    矢點張:f·T=ΣTf·(εiεj)......(1.7-14)

    矢點張:f·T=f·(AB)=(f·A)B......(1.7-15)

    張點矢:T·f=(AB)·f=A(B·f)......(1.7-16)

    對稱點:Tij=Tji,f·T=T·f......(1.7-17)

    反對點:Tij=-Tji,f·T=-T·f......(1.7-18)

    矢叉張:f×T=ΣTij×(εiεj)......(1.7-19)

    矢叉並:f×T=f×(AB)=(f×A)B......(1.7-20)

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