...

2 1211 הלאש

by user

on
Category: Documents
9

views

Report

Comments

Transcript

2 1211 הלאש
‫שאלה ‪2 1211‬‬
‫להלן הפונקציה הסקלרית‪:‬‬
‫‪kQ0‬‬
‫‪+ y2 + z2‬‬
‫‪x2‬‬
‫‪f (x, y, z) = p‬‬
‫א‪ .‬חשבו את הגרדיאנט של הפונקציה בקורדינטות קרטזיות )‪.(x, y, z‬‬
‫ב‪ .‬רשמו את הפונקציה בקורדינטות כדוריות )‪ (r, θ, ϕ‬ולאחר מכן חשבו את הגרדיאנט‬
‫בקורדינטות אלו‪.‬‬
‫ג‪ .‬הראו שאם תכתבו את התוצאה מסעיף א באמצעות קורדינטות כדוריות‪ ,‬תקבלו בדיוק‬
‫את התוצאה בסעיף ב‪.‬‬
‫‪ #‬לשם פתרון סעיפים ב ו־ג היעזרו ברקע התיאורטי בדפי תרגול ‪ ,1‬עמודים ‪ 1‬ו־‪.5‬‬
‫פתרון‬
‫א‪ .‬חשבו את הגרדיאנט של הפונקציה בקורדינטות קרטזיות )‪.(x, y, z‬‬
‫גרדיאנט בקורדינטות קרטזיות‬
‫‬
‫‪2‬‬
‫∂ ∂ ∂‬
‫‪,‬‬
‫‪,‬‬
‫‪∂x ∂y ∂z‬‬
‫‪kQ0 x‬‬
‫) ‪(x2 + y 2 + z 2‬‬
‫‬
‫‪−‬‬
‫=‬
‫~‬
‫∇‬
‫=‬
‫‪∂f‬‬
‫‪∂x‬‬
‫באותו אופן מחשבים עבור רכיב ‪ y‬ורכיב ‪ z‬ומקבלים‪:‬‬
‫!‬
‫‪kQ0 z‬‬
‫‪kQ0 x‬‬
‫‪kQ0 y‬‬
‫‪−‬‬
‫‪,−‬‬
‫‪,−‬‬
‫‪3/2‬‬
‫‪3/2‬‬
‫‪3/2‬‬
‫) ‪(x2 + y 2 + z 2‬‬
‫) ‪(x2 + y 2 + z 2‬‬
‫) ‪(x2 + y 2 + z 2‬‬
‫‪kQ0‬‬
‫)‪(x, y, z‬‬
‫‪3/2‬‬
‫) ‪(x2 + y 2 + z 2‬‬
‫=‬
‫~‬
‫‪∇f‬‬
‫‪=−‬‬
‫~‬
‫‪∇f‬‬
‫ב‪ .‬רשמו את הפונקציה בקורדינטות כדוריות )‪ (r, θ, ϕ‬ולאחר מכן חשבו את הגרדיאנט‬
‫בקורדינטות אלו‪.‬‬
‫נזהה כי ‪ r2 = x2 + y 2 + z 2‬בקורדינטות כדוריות‪ .‬למעשה ‪ r‬הוא גודלו של וקטור עם‬
‫רכיבים קרטזיים )‪.(x, y, z‬‬
‫‪kQ0‬‬
‫‪r‬‬
‫= )‪f (r, θ, ϕ‬‬
‫‪1‬‬
‫כעת נבצע את פעולת הגרדיאנט בקורדינטות כדוריות‪:‬‬
‫∂‬
‫∂‬
‫‪1‬‬
‫∂‬
‫̂‪= r‬‬
‫̂‪+ θ‬‬
‫̂‪+ ϕ‬‬
‫‪∂r‬‬
‫‪∂r‬‬
‫‪r sin θ ∂ϕ‬‬
‫‬
‫‬
‫∂ ‪∂ 1‬‬
‫‪1‬‬
‫∂‬
‫=‬
‫‪,‬‬
‫‪,‬‬
‫‪∂r r ∂θ r sin θ ∂ϕ‬‬
‫~‬
‫∇‬
‫שימו לב כי הפונקציה הסקלרית אינה תלויה בזוויות ‪ θ‬ו־ ‪ .ϕ‬לפיכך‪ ,‬הנגזרות לפי הזוויות‬
‫∂‬
‫∂‬
‫‪ ∂θ‬ו־‬
‫‪ ∂ϕ‬מתאפסות ואנחנו נשארים רק עם הרכיב בכיוון ̂‪:r‬‬
‫̂‪~ = r̂ ∂f = − kQ0 r‬‬
‫‪∇f‬‬
‫‪∂r‬‬
‫‪r2‬‬
‫ג‪ .‬הראו שאם תכתבו את התוצאה מסעיף א באמצעות קורדינטות כדוריות‪ ,‬תקבלו בדיוק‬
‫את התוצאה בסעיף ב‪.‬‬
‫נשתמש בקשר בין קורדינטות קרטזיות לקורדינטות כדוריות‪:‬‬
‫‪= r sin θ cos ϕ‬‬
‫‪x‬‬
‫‪= r sin θ sin ϕ‬‬
‫‪y‬‬
‫‪= r cos θ‬‬
‫‪z‬‬
‫=‬
‫‪r‬‬
‫‪x2 + y 2 + z 2‬‬
‫‪p‬‬
‫נציב בתוצאה של סעיף א ונקבל‪:‬‬
‫‪kQ0‬‬
‫)‪(r sin θ cos ϕ, r sin θ sin ϕ, r cos θ‬‬
‫‪r3‬‬
‫‪kQ0‬‬
‫)‪− 2 (sin θ cos ϕ, sin θ sin ϕ, cos θ‬‬
‫‪r‬‬
‫‪−‬‬
‫נשים לב כי הכיוון ̂‪ r‬ניתן על ידי‬
‫)‪r̂ = (sin θ cos ϕ, sin θ sin ϕ, cos θ‬‬
‫ולכן למעשה קיבלנו את התוצאה מסעיף ב‪:‬‬
‫̂‪~ = − kQ0 r‬‬
‫‪∇f‬‬
‫‪r2‬‬
‫‪2‬‬
‫=‬
‫=‬
‫~‬
‫‪∇f‬‬
‫‪1‬‬
‫נתון שדה ‪:‬‬
‫‪⃗ × ⃗r‬‬
‫‪⃗ = m‬‬
‫‪E‬‬
‫‪r3‬‬
‫‪m‬‬
‫⃗‬
‫‪is a constant‬‬
‫מצאו את‬
‫⃗‬
‫‪∇·E‬‬
‫נפתור את זה בקואורדינטות קרטזיות באמצעות כתיב אינדקסים‪ ,‬כאשר אינדקס‬
‫שמופיע פעמיים פירושו סכימה‪:‬‬
‫(‬
‫)‬
‫‪m‬‬
‫‪⃗ × ⃗r‬‬
‫⃗‬
‫· ‪∇ · E = êi ∂i‬‬
‫‪r3‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= êi ∂i ϵjkl · êj mk rl 3‬‬
‫‪r‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= ∂i δij ϵjkl mk rl 3‬‬
‫‪r‬‬
‫]‬
‫[‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪= ϵjkl mk 3 ∂j rl + rl ∂j 3‬‬
‫‪r‬‬
‫‪r‬‬
‫[‬
‫])‬
‫(‬
‫‪1‬‬
‫‪−3rj‬‬
‫‪= ϵjkl mk 3 δjl + rl‬‬
‫‪r‬‬
‫‪r5‬‬
‫‪mk‬‬
‫‪mk‬‬
‫‪= 3 ϵjkl δjl − 3 5 ϵjkl rj rl‬‬
‫‪r‬‬
‫‪r‬‬
‫האיבר הראשון מתאפס מכיוון ש אם ‪ i = j‬ה ‪ ϵjkl‬מתאפס‪ ,‬אבל אם הם שונים ה ‪δjl‬‬
‫מתאפס‪.‬‬
‫האיבר השני לא יתרום לסכום‪ ,‬מכיוון שבסה"כ הוא אנטי סימטרי להחלפות ב ‪j‬‬
‫ו ‪) .l‬מורכב מחלק אנטי סימטרי להחלפות‪ ,ϵjkl ,‬ומחלק סימטרי להחלפה זו‪.( rj rl :‬‬
‫כלומר חלק מהאיברים אינם אפס‪ ,‬אבל בסכום הכולל תמיד יופיע איבר‪ ,‬והמינוס של‬
‫האיבר‪ ,‬ולכן הסכום מתאפס‪ .‬סה"כ קיבלנו‬
‫‪⃗ = 0‬‬
‫‪∇·E‬‬
Fly UP