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【第二类曲面积分】- 图解高等数学 21

第一类曲面积分(对面积的曲面积分)的物理意义就是对于密度分布不均匀的曲面要计算其质量。
第二类曲面积分(对坐标的曲面积分)的物理意义是求流速场通过曲面S的流量, 也就是如何计算单位时间通过横断面流体的体积。
先来看一种非常理想的状态:
假设水的流速v,横截面面积为S,如下图所示当流速的方向和截面的法方向平行(与截面垂直)时候,则流量= v·S。

图1
如果截面的法方向与流速方向不一致(有夹角),那通过该截面的流体流过的总量就会受到影响——实际上相当于计算截面投影的流量,也就是流量为:

观察下面动图随着截面的法方向与流速方向夹角不断增大,投影面的流量逐渐变小,在夹角为90°时候,流过截面的流量为0。

图2
但在现实遇到的流量问题截面会呈各种曲面,且在曲面S不同的位置有不同方向的流速,那要计算通过曲面流量呢?
还是老办法——分割取近似,求和取极限:
分割曲面中为很多小区域——曲面微元 dS,因为非常非常小,所以可以当做平面来进行处理,并且将通过该区域的流体速度视为匀速。观察下动图来理解这种思想。

图3
对于每一个曲面微元dS ,按照上面的思想将向量函数与切平面的法方向上做投影,然后再做第一类曲面积分。

去掉问题的物理背景,对于向量函数F(f,g,h),平滑的曲面r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))而言:

上面就是制作的图解高等数学第二类曲面积分例子。好了,现在让我们在下一篇的中来看一看其他高数相关概念的动图。


因为本人水平有限,疏忽错误在所难免,所以还请各位老师和朋友不吝赐教,多提宝贵意见,帮助我改进这个系列。感谢关注!Thanks!

 

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