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向量场散度旋度可视化 - Canvas矢量场

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预设
模式
网格 20
箭头 75
灵敏度
散度
负 (汇) 正 (源)
悬停Canvas查看向量场详情
坐标: - 向量: - 散度: - 旋度: -

散度是描述向量场在某一点"发散"或"汇聚"程度的标量。对于二维向量场 F(x,y) = (Fx, Fy),散度定义为:

div F = ∂Fx/∂x + ∂Fy/∂y

  • 散度 > 0:该点为"源",向量向外发散(如泉水涌出)
  • 散度 < 0:该点为"汇",向量向内汇聚(如下水口)
  • 散度 = 0:该点无源无汇,流量守恒(如不可压缩流体)

物理意义:在流体力学中,散度表示单位体积流体的净流出率。在电磁学中,电场散度与电荷密度成正比(高斯定律)。

旋度描述向量场在某一点"旋转"趋势的强度。在二维中,旋度是一个标量(可视为垂直于平面的分量):

curl F = ∂Fy/∂x − ∂Fx/∂y

  • 旋度 > 0:向量逆时针旋转(正涡度)
  • 旋度 < 0:向量顺时针旋转(负涡度)
  • 旋度 = 0:该点无局部旋转(无旋场/保守场)

物理意义:在流体中,旋度表示涡旋强度。在电磁学中,磁场旋度与电流密度相关(安培定律)。二维中旋度恒为零的场是保守场,存在势函数。

  1. 选择预设:点击预设按钮(旋转场、源场、汇场等)快速切换不同的向量场
  2. 切换显示模式:选择仅看向量箭头、散度热力图、旋度热力图或叠加显示
  3. 调整参数:拖动滑块改变网格密度、箭头大小和颜色灵敏度
  4. 悬停探索:将鼠标移到Canvas上查看任意点的向量值、散度和旋度
  5. 观察图例:颜色条显示散度/旋度值的正负对应关系

提示:尝试对比"纯旋转场"(散度=0,旋度=2)和"纯源场"(散度=2,旋度=0),直观理解散度与旋度的区别。

  • 流体力学:散度分析流体的压缩性(不可压缩流体散度为零);旋度识别涡旋和湍流区域
  • 电磁学:麦克斯韦方程组中,电场散度∝电荷密度,磁场旋度∝电流密度+位移电流
  • 气象学:风场的散度指示上升/下沉气流;旋度(涡度)用于预报气旋发展
  • 计算机图形学:流体模拟中散度用于压力求解,旋度用于涡旋细节保持
  • 微分几何:散度和旋度是外微分算子的特例,推广到高维空间的de Rham上同调

无散场(管量场):散度处处为零的向量场。根据亥姆霍兹定理,任何无散场可表示为另一个向量场的旋度:F = curl A(A为向量势)。磁场就是典型的无散场。

无旋场(保守场):旋度处处为零的向量场。可表示为标量势的梯度:F = ∇φ(φ为标量势)。静电场、引力场都是无旋场。

亥姆霍兹分解:任意足够光滑的向量场可唯一分解为无散分量 + 无旋分量

F = −∇φ + curl A

这个分解是理解向量场结构的基础,在流体力学和电磁学中有深远应用。