散度和旋度物理意义

100次浏览     发布时间:2024-09-17 09:21:07    


1 散度和旋度的物理意义

根据之前的分析,我们可以进一步理解散度和旋度。

设空间中有一个封闭区域,内部有一个源(或数个源),以某种方式形成一个矢量场,则这个矢量场对区域边界有两个作用:

  • “瞄着”区域边界的作用,造成边界膨胀的效果,就是散度要描述的;
  • “切着”区域边界的作用,造成区域自旋的效果,就是旋度要描述的。

如果这个源本身不带有自旋,可能对边界没有“切向”作用,如点电荷产生的电场。如果这个源本身在旋转,则可能对边界起到旋转作用。想象一个水桶,底部有一个漏点,桶里的水流入该漏点并绕着漏点发生旋转。水流场可以认为是一个矢量场。如果围着漏点,放置一根圆形的橡皮筋。则这根橡皮筋一方面受到水流冲击有缩小的趋势,另一方面会顺着涡流的旋转而旋转。这就是散度和旋度。如果这个水桶放在赤道上,则这个漏点不产生旋涡,就相当于一个没有自旋的矢量场。

2 还有没有其他的“度”

从外微分算子考察:

0阶外微分形式的外微分算子运算

一阶外微分形式的外微分算子运算

二阶外微分形式的外微分算子运算

对比发现:

  • “0阶外微分形式的外微分算子运算”对应“梯度”;
  • “一阶外微分形式的外微分算子运算”对应“旋度”;
  • “二阶外微分形式的外微分算子运算”对应“散度”。

从外微分的角度看,三维空间不可能再产生其他的度,因为三阶外微分形式的外微分算子运算为0。或者从数量场和矢量场的相互转换的角度分析:

  • “数量场->矢量场”的运算:梯度;
  • “矢量场->数量场”的运算:散度;
  • “矢量场->矢量场”的运算:旋度;
  • “数量场->数量场”的运算:没有这样的运算,或类比三阶外微分形式的外微分算子运算为0,即得到的数量场处处为0。

从两类场的转化角度看,也不可能有其他的度了。

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