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1700947191 这些就是求矢量微商的一些困难和题外之话。
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1700947193 当然,你还可以对矢量的微商求微分,然后对它再求微分,依此类推。我们称A 的微商为“速度”,但这只是因为A 是位置;如果A 是别的什么东西,它的微商就不是速度而是别的某种东西。例如,A 是动量,动量的时间微商等于力,所以A 的微商可以是力。如果A 是速度,速度的时间微商是加速度,等等。我在这里给你们讲的关于矢量微商是普遍正确的,但此地只给出位置和速度的例子。
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1700947195 1-8 线积分
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1700947197 最后,关于矢量,我还只有一件事是一定要谈的,并且这是一件讨厌而又复杂的事情,称为“线积分”:
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1700947202 我们要拿来作为例子的是,你有某个矢量场F ,在其中你要沿着曲线S 从a 点积分到z 点。现在,为了使这个线积分具有某种意义,必须以某种方式沿曲线S 上a 和z 之间的每一点定义F 的值。如果F 定义为作用于在a 点的物体上的力,如果你不能告诉我当你沿S 运动时,至少 在a 和z 之间,力如何变化,“F 从a 到z 沿S 的积分”就没有意义 。(我说“至少”,因为F 可能也在别的任何地方定义,但至少你必须在你沿着它求积分的曲线部分定义。)
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1700947204 我马上就要定义任意矢量场中沿任意曲线的线积分,但首先我们来考虑一下F 是常数的情形,并且S 是a 到z 的直线路径——位移矢量,我把它称为S (见图1-13)。因为F 是常数,我们把它拿到积分号外面(就像普通的积分一样),从a 到z 的dS 积分正好等于S ,所以答案是F ·S 。这就是一个不变力和直线路径的线积分——容易的情况:
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1700947212 图1-13 定义在直线路径a-z上的不变力F
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1700947214 (记住,F ·S 是力在位移方向的分量乘以位移的大小;换句话说,简单地是沿着直线移动的距离乘以力在这个方向上的分量。也还有许多其他的方式看待它:它是位移在力的方向上的分量乘以力的大小;它是力的数值乘以位移的数值再乘以它们之间角度的余弦。这些都是相同的。)
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1700947216 更一般地说,线积分定义如下:首先,我们分解积分,把a 和z 之间的S 分为N 个相等的线段ΔS1 ,ΔS2 ,…,ΔSN 。于是沿S 积分成为沿ΔS 积分加上沿ΔS2 积分加上沿ΔS3 积分,等等。我们取的N 很大,所以我们可以将每一个ΔSi 近似为一个小的位移矢量ΔSi ,在这一段上F 近似于常数Fi (见图1-14)。然后用“不变力直线路径”法则,线段ΔSi 上近似地贡献Fi ·ΔSi 于积分。所以,你把i 等于1到N 的Fi ·ΔSi 加在一起,这就是积分的很好的近似值。只当我们N 趋向于无限大,积分才准确地 等于这个和数:你尽可能地把小段分得短一些;你把它们取得比这稍微更短一些,你得到正确的积分:
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1700947224 图1-14 定义在曲线S上的变化的力F
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1700947226 (当然,这积分依赖于曲线——一般情况下——虽然有时它不是物理学。)
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1700947228 好了,你们要学物理必须懂的数学——至少是现在——都在这里了。这些东西,最主要是微积分和初等矢量理论应当成为第二天性。某些东西——像线积分——现在 还不是第二天性,但是当用它们更多以后终于会成为第二天性。他们还 不是这样重要,并且比较难。你现在“必须牢记在你的头脑里的”是微积分以及一些关于求不同方向上的矢量分量的方法。
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1700947230 1-9 一个简单的例子
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1700947232 我给你们讲一个例题——只是非常简单的一个例题——来说明怎样求矢量的分量。假设我们有一台机器,如图1-15所示:它是由用一个枢轴连结的两根杆子(像肘关节)组成,上面有一个大的重物。其中一根杆子的一端用一个固定的枢轴固定在地板上。另一根杆子的一端有一个滚轴,可以沿地板上的狭槽滚动——这是一台机器的一部分。你看它彳亍、彳亍地开动——滚子前后运动,重物忽上忽下,就这样运动。
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1700947237 图1-15 简单的机器
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1700947239 我们设重物质量为2千克,杆子长0.5米,在某个时刻机器静止不动,重物到地板的距离恰好是0.4米——这样我们就有一个3-4-5三角形,这使计算变得更容易(见图1-16)。(计算并不是最重要的,真正的困难在于得到正确的概念 。)
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