前面严谨地介绍了格林公式,但缺少了一些直觉性。为了弥补这一缺陷,本节将深入挖掘该公式的发明背景及发明者的思考过程,以期帮助同学们建立更为直观的印象。
让我们从格林公式的发明人乔治·格林说起,如下图左侧所示。乔治·格林 40 岁才考上了剑桥的本科生,后来留任在剑桥的凯斯学院。为了纪念他以及这个重要的公式,凯斯学院有一扇窗户上画了关于格林公式的一幅图,如下图右侧所示。
乔治·格林(1793-1841)
格林公式的推导思路
窗户上的这幅图虽简约却巧妙地展现了乔治·格林推导公式时的思路。接下来,我们将帮助同学们理解这幅图,并借此展示格林公式的直观意义。为了方便讲解,还是先列出格林公式:
其中
在乔治·格林生活的那个时代,电磁学正方兴未艾,上述公式正是在解决这门学科的具体问题中诞生的。当时电磁学的一个研究热点是电磁效应,为了研究这一效应,物理学家们会将通电的线圈放入磁场之中,如下图所示,此时线圈会受到磁力的作用,从而产生旋转。
磁场中的通电线圈
上述通电线圈可抽象为平面中的封闭有向曲线
位于磁场中的有向曲线
物理学家往往会需要计算磁力场对该线圈的做功,也就是计算如下的
有时候上述积分是比较难计算的,所谓格林公式就给出了该积分的一个计算方法。假设封闭有向曲线
有向曲线
那么根据格林公式,在有向曲线
下面来看看乔治·格林是如何推导出上述结论的。他将
将闭区域
这么做的原因是因为乔治·格林发现,如果在每个格子的边界上计算
也就是说在这
如果计算
如果将
可以看到随着小矩形格子的增多,红色边界会逐渐逼近有向曲线
思路解释清楚了,下面来计算单个小矩形格子的
小矩形格子
注意到力场
简写一下,上面的推导得到了如下结果:
按照最上面解释的思路,将