数学物理方程定解问题幻灯片.ppt

《数学物理方程定解问题幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数学物理方程定解问题幻灯片.ppt（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、数学物理方程定解问题第1页，共63页，编辑于2022年，星期六期末考试题之一：求解爆炸问题第2页，共63页，编辑于2022年，星期六期末考试题之二：逆向求解散热问题第3页，共63页，编辑于2022年，星期六期末考试题之三：求解回形振动吸热板的吸热过程第4页，共63页，编辑于2022年，星期六数学物理方程数学物理方程朱瑞朱瑞 18号楼号楼205教材：教材：数学物理方法数学物理方法梁昆淼梁昆淼 高等教育高等教育出版社出版社（第三版）。（第三版）。内容：教材第七章至第十二章。内容：教材第七章至第十二章。答疑时间：随时在我办公室答疑，最好提前答疑时间：随时在我办公室答疑，最好提前预约。预约。总成绩：期

2、末考试：总成绩：期末考试：70%；平时成绩：；平时成绩：30%.关于课堂作业关于课堂作业第5页，共63页，编辑于2022年，星期六参考书参考书哈伯曼哈伯曼(Haberman R).实用偏微分方程实用偏微分方程.英文版英文版 第第4版版.北京：机械工业出版社北京：机械工业出版社,2005.Boas M L.Mathematical methods in the physical sciences.2nd ed.New York:John Wiley and Sons,Inc.,1983.这两本书都是英文的。我们图书馆都有。这两本书都是英文的。我们图书馆都有。第6页，共63页，编辑于2022年，星

3、期六中外教材比较我们我们美国麻省理工美国麻省理工第7页，共63页，编辑于2022年，星期六大家想一想质质点点运运动动偶偶极极子子产产生生的的电电场场在在空空间间的的分分布布扩散和热传导扩散和热传导观看动画观看动画第8页，共63页，编辑于2022年，星期六7.1 节 数学物理方程的导出第9页，共63页，编辑于2022年，星期六数学物理方程数学物理方程在以前的学习中，我们研究某个物理量（位移、电在以前的学习中，我们研究某个物理量（位移、电流）怎样随时间而变化。研究以时间为自变数的常流）怎样随时间而变化。研究以时间为自变数的常微分方程（质点的运动方程、电路微分方程）微分方程（质点的运动方程、电路微分

4、方程）研究某个物理量（电场强度、电势、磁感应强度、研究某个物理量（电场强度、电势、磁感应强度、声压、杂质浓度）在声压、杂质浓度）在空间空间的某个区域中的分布情况，的某个区域中的分布情况，以及它怎样随以及它怎样随时间时间而变化。而变化。这些问题中的自变数同时包括这些问题中的自变数同时包括时间时间和和空间空间坐标。坐标。第10页，共63页，编辑于2022年，星期六数学物理定解问题数学物理定解问题物理规律物理规律-偏微分方程偏微分方程（泛定方程）（泛定方程）解决这些问题，首先必须掌握所研究的物理量解决这些问题，首先必须掌握所研究的物理量在空间中的分布规律和在时间中的变化规律。在空间中的分布规律和在时

5、间中的变化规律。环境影响环境影响-边界条件边界条件（定解条件）（定解条件）研究对象不能和环境割裂，研究对象不能和环境割裂，“超距作用超距作用”不存不存在，环境影响通过边界传给研究对象。在，环境影响通过边界传给研究对象。历史影响历史影响-初始条件初始条件（定解条件）（定解条件）研究问题不能割断历史，历史：即研究对象在研究问题不能割断历史，历史：即研究对象在某个所谓某个所谓“初始初始”时刻的状态，即初始条件。时刻的状态，即初始条件。适当举例加以解释适当举例加以解释第11页，共63页，编辑于2022年，星期六课堂作业 笔记 P66页(5 分钟)求解两端固定质量不均匀细弦的微小横振动，弦上不同位置的密

6、度分布为 rou(x)板书画图第12页，共63页，编辑于2022年，星期六数学物理方程的导出均匀弦的微小横振动第13页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀弦的微小横振动均匀弦的微小横振动基本物理问题描述基本物理问题描述绷紧的弦相邻小段之间绷紧的弦相邻小段之间有拉力，这种拉力叫做有拉力，这种拉力叫做弦中弦中张力张力。张力沿着弦的切线方向。张力沿着弦的切线方向。弦乐器的弦很轻，重力弦乐器的弦很轻，重力相对于弦内张力很小，相对于弦内张力很小，受力分析时可以忽略重受力分析时可以忽略重力。力。第14页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀弦的微小横振动均匀弦的微小横振动基本物理问题描述基本物理问题

7、描述沿着弦的方向称为沿着弦的方向称为 纵向纵向。垂直于弦的方向称为垂直于弦的方向称为横向横向。讨论微小横振动问题，即讨论微小横振动问题，即假设弦沿纵向没有运动假设弦沿纵向没有运动和位移；沿横向有微小和位移；沿横向有微小的运动和位移。的运动和位移。第15页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀弦的微小横振动均匀弦的微小横振动超越超越质点质点问题和问题和刚体刚体问题，讨论问题，讨论连连续弹性体续弹性体的运动方的运动方程程板书推导并讲解板书推导并讲解第16页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀弦的微小横振动均匀弦的微小横振动对位置在对位置在 x 到到 x+dx 之间的一小段弦进行受力分之间的一

8、小段弦进行受力分析，列出牛顿力学方程析，列出牛顿力学方程第17页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀弦的微小横振动均匀弦的微小横振动对位置在对位置在 x 到到 x+dx 之间的一小段弦进行受力分之间的一小段弦进行受力分析，列出牛顿力学方程析，列出牛顿力学方程弦在x点的斜率均匀弦的微小横振均匀弦的微小横振动动第18页，共63页，编辑于2022年，星期六课堂作业（课堂作业（5分钟）分钟）推导匀质糖葫芦形状杆的纵振动方程。推导匀质糖葫芦形状杆的纵振动方程。板书画图板书画图第19页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀杆的纵振动均匀杆的纵振动弹簧的运动我们怎样研究？弹簧的运动我们怎样研究？弹性杆

9、就是很硬弹性杆就是很硬的弹簧，即倔强的弹簧，即倔强系数很大的弹簧。系数很大的弹簧。第20页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀杆的纵振动均匀杆的纵振动第21页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀杆的纵振动均匀杆的纵振动板书推导板书推导第22页，共63页，编辑于2022年，星期六均匀杆的纵振动均匀杆的纵振动第23页，共63页，编辑于2022年，星期六课堂作业（5分钟）在柱坐标系下求解热传导方程。1.体元如何建立，2.热量流入体元通过的横截面怎样计算，板书画图第24页，共63页，编辑于2022年，星期六热传导问题热传导问题第25页，共63页，编辑于2022年，星期六热传导问题热传导问题热传

10、导定律：热量从高温区域向低温区域传递，热传导定律：热量从高温区域向低温区域传递，热流强度热流强度q与高低温度差的差值成正比，温度变化与高低温度差的差值成正比，温度变化越剧烈，热流越大。越剧烈，热流越大。热传导定律第26页，共63页，编辑于2022年，星期六热传导问题热传导问题能量守恒定律：单位时间内流入单位体积内的热能量守恒定律：单位时间内流入单位体积内的热量等于该体积内热能的增量。量等于该体积内热能的增量。能量守恒定律第27页，共63页，编辑于2022年，星期六热传导问题热传导问题板书推导板书推导第28页，共63页，编辑于2022年，星期六三维热传导问题三维热传导问题板书推导板书推导第29页

11、，共63页，编辑于2022年，星期六振动方程输运方程第30页，共63页，编辑于2022年，星期六第31页，共63页，编辑于2022年，星期六7.2 节 定解条件第32页，共63页，编辑于2022年，星期六定解条件定解条件得到这样两类方程，物理问题的解定下来了吗？得到这样两类方程，物理问题的解定下来了吗？第33页，共63页，编辑于2022年，星期六数学物理定解问题数学物理定解问题物理规律物理规律-偏微分方程偏微分方程（泛定方程）（泛定方程）解决这些问题，首先必须掌握所研究的物理量解决这些问题，首先必须掌握所研究的物理量在空间中的分布规律和在时间中的变化规律。在空间中的分布规律和在时间中的变化规律

12、。环境影响环境影响-边界条件边界条件（定解条件）（定解条件）研究对象不能和环境割裂，研究对象不能和环境割裂，“超距作用超距作用”不存不存在，环境影响通过边界传给研究对象。在，环境影响通过边界传给研究对象。历史影响历史影响-初始条件初始条件（定解条件）（定解条件）研究问题不能割断历史，历史：即研究对象在研究问题不能割断历史，历史：即研究对象在某个所谓某个所谓“初始初始”时刻的状态，即初始条件。时刻的状态，即初始条件。适当举例加以解释适当举例加以解释第34页，共63页，编辑于2022年，星期六定解条件定解条件从数学角度，微分方程的解存在待定常数，待定从数学角度，微分方程的解存在待定常数，待定常数由

13、初始条件和边界条件确定。例如：常数由初始条件和边界条件确定。例如：第35页，共63页，编辑于2022年，星期六人口密度分布人口密度分布温度分布温度分布定解条件定解条件对于输运过程（扩散、热传导），初始状态指的对于输运过程（扩散、热传导），初始状态指的是所研究的物理量是所研究的物理量u的初始分布（初始浓度分布、的初始分布（初始浓度分布、初始温度分布）。因此，初始条件是：初始温度分布）。因此，初始条件是：已知函数第36页，共63页，编辑于2022年，星期六定解条件定解条件对于振动过程（弦、杆、膜的振动，较高频率交对于振动过程（弦、杆、膜的振动，较高频率交变电流沿传输线传播，声振动和声波，电磁波），

14、变电流沿传输线传播，声振动和声波，电磁波），只给出初始只给出初始“位移位移”：已知函数是不够的，还需要给出初始是不够的，还需要给出初始“速度速度”：已知函数第37页，共63页，编辑于2022年，星期六定解条件定解条件对于振动过程（弦、杆、膜的振动，较高频率交对于振动过程（弦、杆、膜的振动，较高频率交变电流沿传输线传播，声振动和声波，电磁波），变电流沿传输线传播，声振动和声波，电磁波），只给出初始只给出初始“位移位移”是不够的，还需要给出初始是不够的，还需要给出初始“速度速度”：观看动画观看动画第38页，共63页，编辑于2022年，星期六定解条件定解条件从数学的角度看，就时间从数学的角度看，就时

15、间 t 这个自变数而言，输这个自变数而言，输运过程的泛定方程只出现一阶的导数运过程的泛定方程只出现一阶的导数 ut，是一阶，是一阶微分方程，所以只需一个初始条件；振动过程的泛定微分方程，所以只需一个初始条件；振动过程的泛定方程则出现二阶的导数方程则出现二阶的导数 utt，是二阶微分方程，所，是二阶微分方程，所以需要两个初始条件。以需要两个初始条件。振动方程输运方程第39页，共63页，编辑于2022年，星期六课堂作业（5 分钟）两端固定弦的横振动问题，将弦拉成半圆弧，保持静止，释放，让弦自由振动，求这个定解问题的初始条件。板书画图第40页，共63页，编辑于2022年，星期六初始条件应当给出整个系

16、统的初始状态，而不仅是初始条件应当给出整个系统的初始状态，而不仅是系统中个别地点的初始状态：系统中个别地点的初始状态：板书推导板书推导第41页，共63页，编辑于2022年，星期六初始条件应当给出整个系统的初始状态，而不仅是初始条件应当给出整个系统的初始状态，而不仅是系统中个别地点的初始状态：系统中个别地点的初始状态：第42页，共63页，编辑于2022年，星期六稳定场问题稳定场问题策动力驱动振动问题策动力驱动振动问题可以看作没有初始条件的问题可以看作没有初始条件的问题第43页，共63页，编辑于2022年，星期六边界条件边界条件研究具体的物理系统，还必须考虑研究对象所处的特研究具体的物理系统，还必

17、须考虑研究对象所处的特定定“环境环境”，而周围环境的影响体现为边界上的物理，而周围环境的影响体现为边界上的物理状况，即边界条件。状况，即边界条件。从数学角度看，泛定方程出现关于空间位置的二阶从数学角度看，泛定方程出现关于空间位置的二阶导数导数 uxx，所以需要两个边界条件。，所以需要两个边界条件。第44页，共63页，编辑于2022年，星期六什么是边界？什么是边界？由连接研究对象和环境的所有点组成的物理区域由连接研究对象和环境的所有点组成的物理区域对于一维系统，它是两个端点对于一维系统，它是两个端点对于二维系统，它是闭合曲线对于二维系统，它是闭合曲线对于三维系统，它是封闭曲面对于三维系统，它是封

18、闭曲面要确定一个由数理方程描述的物理问题的解，要确定一个由数理方程描述的物理问题的解，必须给定所有边界上的信息：确切说明边界上必须给定所有边界上的信息：确切说明边界上的物理状况的物理状况第45页，共63页，编辑于2022年，星期六边界条件边界条件常见的线性边界条件，数学上分为三类：常见的线性边界条件，数学上分为三类：第一类边界条件，直接规定了所研究的物理量在第一类边界条件，直接规定了所研究的物理量在边界上的数值。边界上的数值。第二类边界条件，规定了所研究物理量在边界外法线第二类边界条件，规定了所研究物理量在边界外法线方向上方向导数的数值。方向上方向导数的数值。第三类边界条件，规定了所研究物理量

19、及其外法向第三类边界条件，规定了所研究物理量及其外法向导数的线性组合在边界上的数值。导数的线性组合在边界上的数值。第46页，共63页，编辑于2022年，星期六边界条件边界条件第一类第一类第二类第二类第三类第三类第47页，共63页，编辑于2022年，星期六课堂作业（5 分钟）弦的纵振动问题，一端固定，另一端与一竖直弹簧相连，弹簧的另一端固定，求这个定解问题的边界条件。板书画图。笔记 P66 页。第48页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第一类边界条件）具体的例子（第一类边界条件）弦的两端固定而振动，边界条件为弦的两端固定而振动，边界条件为第49页，共63页，编辑于2022年，星期六

20、具体的例子（第一类边界条件）具体的例子（第一类边界条件）热传导问题，杆的两端恒温，边界条件为热传导问题，杆的两端恒温，边界条件为第50页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第二类边界条件）具体的例子（第二类边界条件）第51页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第二类边界条件）具体的例子（第二类边界条件）板书推导板书推导笔记笔记 P1 P2 页页第52页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第二类边界条件）具体的例子（第二类边界条件）纵振动杆一端受沿外法向方向外力，根据胡克定律，纵振动杆一端受沿外法向方向外力，根据胡克定律，边界条件为边界条件为第53页，共63页

21、，编辑于2022年，星期六具体的例子（第二类边界条件）具体的例子（第二类边界条件）一端有已知热流流入的热传导问题，根据热传一端有已知热流流入的热传导问题，根据热传导定律，边界条件为导定律，边界条件为板书推导板书推导第54页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第三类边界条件）具体的例子（第三类边界条件）第55页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第三类边界条件）具体的例子（第三类边界条件）板书推导板书推导笔记笔记 P2 页页第56页，共63页，编辑于2022年，星期六具体的例子（第三类边界条件）具体的例子（第三类边界条件）杆的一端通过弹簧与固定点连接，经过受力分杆的一端通

22、过弹簧与固定点连接，经过受力分析，边界条件为析，边界条件为第57页，共63页，编辑于2022年，星期六一个完整的定解问题的边界条件可以是三类边界条一个完整的定解问题的边界条件可以是三类边界条件的组合，例如：件的组合，例如：第58页，共63页，编辑于2022年，星期六一端固定另一端受力的杆的纵振动问题的完整边一端固定另一端受力的杆的纵振动问题的完整边界条件为（第一类和第二类边界条件的组合）界条件为（第一类和第二类边界条件的组合）第59页，共63页，编辑于2022年，星期六一端恒温，另一端有已知热流的热传导问题的完整一端恒温，另一端有已知热流的热传导问题的完整边界条件为（第一类和第二类边界条件的组

23、合）边界条件为（第一类和第二类边界条件的组合）第60页，共63页，编辑于2022年，星期六还有其他类型的边界条件还有其他类型的边界条件边界条件只要确切说明边界上的物理状况边界条件只要确切说明边界上的物理状况就行。就行。具体问题具体分析：把物理定律应用具体问题具体分析：把物理定律应用到边界上，就能得到需要的边界条件。到边界上，就能得到需要的边界条件。第61页，共63页，编辑于2022年，星期六衔接条件衔接条件针对研究区域里的针对研究区域里的跃变点跃变点，泛定方程在跃变点，泛定方程在跃变点失去意义失去意义板书推导板书推导笔记笔记 P 23 页页第62页，共63页，编辑于2022年，星期六衔接条件衔接条件针对研究区域里的针对研究区域里的跃变点跃变点，泛定方程在跃变点失，泛定方程在跃变点失去意义去意义板书推导板书推导第63页，共63页，编辑于2022年，星期六