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@ Technische Universit¨ at Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig

Institut f¨ ur Theoretische Physik

Dr. Andreas Honecker

Physikalische Rechenmethoden II

Ubungsblatt 7 ¨

Freiwillige Abgabe bis: Mittwoch, 23. Juni 2004, 13:00 1. Wir betrachten die Laplace-Gleichung

∆Ψ = 0.

(a) Unter welchen Bedingungen an die Konstanten A, B, C, D, E und F in dem Ansatz

Ψ(x, y, z) =A x2+B y2+C z2+D xy+E xz+F yz erhalten Sie eine L¨osung der Laplace-Gleichung ?

(b) Wir betrachten nun den Ansatz

Ψ(x, y, z) = ¯A x3+ ¯B x2y+ ¯C xy2+ ¯D y3.

Unter welchen Bedingungen an die Konstanten ¯A, ¯B, ¯C und ¯Dl¨ost dieser Ansatz die Laplace-Gleichung ?

(c) Ein weiterer Ansatz ist

Ψ(x, y, z) = eαxf(y).

Welche gew¨ohnliche Differentialgleichung f¨ur die Funktion f(y) folgt mit diesem Ansatz aus der Laplace-Gleichung ? Geben Sie die allgemeine L¨osung f¨ur die Funktion f(y) an !

2. Wir betrachten den Laplace-Operator in zwei Dimensionen

∆ = ∂2

∂x2 + ∂2

∂y2 . Zeigen Sie:

∆ (lnr) = 2π δ(2)(~r) ! Hinweise:

• Folgen Sie der Argumentationsweise der Vorlesung f¨ur den dreidimensionalen Fall.

1

(2)

• Der Gradient und der Laplace-Operator lauten in Polarkoordinatenr, ϕ

∇A~ = ∂A

∂r ~er+ 1 r

∂A

∂ϕ ~eϕ,

∆A = 1 r

∂r

r∂A

∂r

+ 1 r2

2A

∂ϕ2 .

• Machen Sie sich klar, daß der Gauß’sche Integralsatz in zwei Dimensionen in der

Form Z

A

∇ ·~ F~dA = I

C(A)

F~ ·dN~

gilt. Hierbei ist A ein Fl¨ache mit Rand C(A) und N~ der Einheitsnormalenvektor auf diesem Rand.

3. Gegeben sei ein kugelsymmetrisches Potential

Ψ(~r) =

 Q

4πε0R f¨ur r < R, Q

4πε0r f¨ur r > R.

Berechnen Sie die zugeh¨orige Ladungsdichte ρ(~r) !

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