数学物理方程谷超豪第三版

第 二 章 热 传 导 方 程

§1 热传导方程及其定解问题的提

1. 一均匀细杆直径为l，假设它在同一截面上的温度是相同的，杆的表面和周围介质发生热交换，服从于规律

dQ?k1(u?u1)dsdt 又假设杆的密度为?，比热为c，热传导系数为k，试导出此时温度u满足的方程。

解：引坐标系：以杆的对称轴为x轴，此时杆为温度u?u(x,t)。记杆的截面面积由假设，在任意时刻t到t??t内流入截面坐标为x到x??x一小段细杆的热量为

2

2?u?uM1????C?u?x,y,z,t2??u?x,y,z,t1??dxdydz?????Cdtdv?????Cdvdt

?t?t??t1t1?t2t两者应该相等，由奥、高公式得：

t2????u????u????u???u?M???????D???D?Ddvdt?M?Cdvdt ???1??????y??z?x?x?y?z?t???????t1??t1?其中C叫做孔积系数=孔隙体积。一般情形C?1。由于?,t1,t2的任意性即得方程：

t2?l24为S。

C?u???u????u????u???D???D?

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数学物理方程习题解(谷超豪) 第二章

常微分方程

2.1

dy?2xy,并求满足初始条件：x=0,y=1的特解. dx 解：对原式进行变量分离得

1.

1dy?2xdx,两边同时积分得：lny?yc?1,故它的特解为y?ex。2x2?c,即y?cex把x?0,y?1代入得2

2.ydx?(x?1)dy?0,并求满足初始条件：x=0,y=1的特解.

2解：对原式进行变量分离得：

?1111dx?2dy,当y?0时，两边同时积分得；lnx?1??c,即y?x?1yc?lnx?1y当y?0时显然也是原方程的解。当x?0,y?1时，代入式子得c?1,故特解是1y?。1?ln1?x

ydy3 ?dxxy?x1?23y

解：原式可化为：

dy?dx1?y2y?1x?x显然31?y2y?0,故分离变量得y1?ydy?21x?x23dx221两边积分得ln1?2y212?lnx?ln1?x?lnc(c?0),即(1?2(1?x)?cxy）222y)(1?x)?cx

故原方程的解为（1?4：(1?x)ydx?(1?y)xdy?01?x1?y解：由y?0或x?0是方程的解，当xy?0时，变量分离dx?dy?0xy两边积分lnx?x?lny?y?c,即lnxy?x?y?c,故原方程的

常微分方程

2.1

dy?2xy,并求满足初始条件：x=0,y=1的特解. dx 解：对原式进行变量分离得

1.

1dy?2xdx,两边同时积分得：lny?yc?1,故它的特解为y?ex。2x2?c,即y?cex把x?0,y?1代入得2

2.ydx?(x?1)dy?0,并求满足初始条件：x=0,y=1的特解.

2解：对原式进行变量分离得：

?1111dx?2dy,当y?0时，两边同时积分得；lnx?1??c,即y?x?1yc?lnx?1y当y?0时显然也是原方程的解。当x?0,y?1时，代入式子得c?1,故特解是1y?。1?ln1?x

ydy3 ?dxxy?x1?23y

解：原式可化为：

dy?dx1?y2y?1x?x显然31?y2y?0,故分离变量得y1?ydy?21x?x23dx221两边积分得ln1?2y212?lnx?ln1?x?lnc(c?0),即(1?2(1?x)?cxy）222y)(1?x)?cx

故原方程的解为（1?4：(1?x)ydx?(1?y)xdy?01?x1?y解：由y?0或x?0是方程的解，当xy?0时，变量分离dx?dy?0xy两边积分lnx?x?lny?y?c,即lnxy?x?y?c,故原方程的

习题七

气体在平衡态时有何特征气体的平衡态与力学中的平衡态有何不同

答：气体在平衡态时，系统与外界在宏观上无能量和物质的交换；系统的宏观性质不随时间变化．

力学平衡态与热力学平衡态不同．当系统处于热平衡态时，组成系统的大量粒子仍在不停地、无规则地运动着，大量粒子运动的平均效果不变，这是一种动态平衡．而个别粒子所受合外力可以不为零．而力学平衡态时，物体保持静止或匀速直线运动，所受合外力为零．

气体动理论的研究对象是什么理想气体的宏观模型和微观模型各如何

答：气体动理论的研究对象是大量微观粒子组成的系统．是从物质的微观结构和分子运动论出发，运用力学规律，通过统计平均的办法，求出热运动的宏观结果，再由实验确认的方法．

从宏观看，在温度不太低，压强不大时，实际气体都可近似地当作理想气体来处理，压强越低，温度越高，这种近似的准确度越高．理想气体的微观模型是把分子看成弹性的自由运动的质点．

何谓微观量何谓宏观量它们之间有什么联系

答：用来描述个别微观粒子特征的物理量称为微观量．如微观粒子(原子、分子等)的大小、质量、速度、能量等．描述大量微观粒子(分子或原子)的集体的物理量叫宏观量，如实验中观测得到的气体体积、压强、温度、热容量等都是宏观量．

气体宏观量是微观量统计平均的

大学物理习题及解答

习题一

drdrdvdv1-1 ｜?r｜与?r有无不同?dt和dt有无不同? dt和dt有无不同?其不同在哪里?试

举例说明．

???r?r?r?r?r?r2?r1； 21，解：（1）是位移的模，?r是位矢的模的增量，即

drdrds?v?dt（2）dt是速度的模，即dt.

drdt只是速度在径向上的分量.

?drdrdr??r?r?（式中r?叫做单位矢）dt ∵有r?rr，则dtdtdr式中dt就是速度径向上的分量，

drdr与dtdt不同如题1-1图所示. ∴

题1-1图

?dv?dvdva?dt，dt是加速度a在切向上的分量. (3)dt表示加速度的模，即

??v?v?(?表轨道节线方向单位矢）∵有，所以

??dvdv?d????vdtdtdt

dv式中dt就是加速度的切向分量.

???d??dr?与dt的运算较复杂，超出教材规定，故不予讨论) (dt1-2 设质点的运动方程为x=x(t)，y=y(t)，在计算质点的速度和加速度时，有人先求

d2rdr222x?y出r＝，然后根据v=dt，及a＝dt而求得结果；又有人先计算速度和加速度

的分量，再合成求得结果，即

你认为两种方法哪一种正确？为什么？两者差别

大学物理习题及解答

习题一

drdrdvdv1-1 ｜?r｜与?r有无不同?dt和dt有无不同? dt和dt有无不同?

其不同在哪里?试举例说明．

解：（1）?r是位移的模，?r是位矢的模的增量，即?r?r2?r1，

?r?r2?r1；

drdrds（2）dt是速度的模，即dt?v?dt. drdt只是速度在径向上的分量.

?drdrdr??r?r??dtdtdt r?rrr∵有（式中叫做单位矢），则dr式中dt就是速度径向上的分量，

??drdr与∴dtdt不同如题1-1图所示.

题1-1图

?dv?dvdva?dt，dt是加速度a在切向上的分量. (3)dt表示加速度的模，即

??v?v?(?表轨道节线方向单位矢）∵有，所以

??dvdv?d????vdtdtdt

dv式中dt就是加速度的切向分量.

???d??dr?与(dtdt的运算较复杂，超出教材规定，故不予讨论)

1-2 设质点的运动方程为x=x(t)，y=y(t)，在计算质点的速度和加

d2rdr222x?y速度时，有人先求出r＝，然后根据v=dt，及a＝dt而求得

结果；又有人先计算速度和加速度的分量，再合成求得结果，即

?d2x??d2

常微分方程 习题2.2

求下列方程的解 1．

dy

dx

=y sinx 解： y=e dx( sinxe dx

dx c)

=ex[-

12e x

(sinx cosx)+c] =c ex-1

2

(sinx cosx)是原

方程的解。 2．

dx

dt

+3x=e2t 解：原方程可化为：

dx

=-3x+e2tdt

所以：x=e 3dt

(

e

2t

e

3dt

dt c) =e 3t (1

e5t5+c)

=c e 3t+1

e2t5

是原方

程的解。

3．

ds

dt

=-scost+12sin2t

解：s=e costdt( 1

2

sin2te 3dtdt c )

=e sint( sintcostesintdt c) = e sint(sintesint esint c) =ce sint sint 1 是原方程的解。 4．

dydx x

n

y exxn ， n为常数. 解：原方程可化为：dydx x

n

y exxn

n

n

y e

xdx

( exxn

e

xdx

dx c)

xn(ex c) 是原方程的解.

5．

dydx+1 2x

x

2y 1=0 解：原方程可化为：dydx=-1 2x

x

2y 1

x 1 2xy e

2x

2

dx

(e

1x2

dx

dx c)

2 e

(lnx 1

常微分方程 习题2.2

求下列方程的解 1．

dy

dx

=y sinx 解： y=e dx( sinxe dx

dx c)

=ex[-

12e x

(sinx cosx)+c] =c ex-1

2

(sinx cosx)是原

方程的解。 2．

dx

dt

+3x=e2t 解：原方程可化为：

dx

=-3x+e2tdt

所以：x=e 3dt

(

e

2t

e

3dt

dt c) =e 3t (1

e5t5+c)

=c e 3t+1

e2t5

是原方

程的解。

3．

ds

dt

=-scost+12sin2t

解：s=e costdt( 1

2

sin2te 3dtdt c )

=e sint( sintcostesintdt c) = e sint(sintesint esint c) =ce sint sint 1 是原方程的解。 4．

dydx x

n

y exxn ， n为常数. 解：原方程可化为：dydx x

n

y exxn

n

n

y e

xdx

( exxn

e

xdx

dx c)

xn(ex c) 是原方程的解.

5．

dydx+1 2x

x

2y 1=0 解：原方程可化为：dydx=-1 2x

x

2y 1

x 1 2xy e

2x

2

dx

(e

1x2

dx

dx c)

2 e

(lnx 1