第六章 第3节定积分在物理上的应用
更新时间:2023-03-19 02:53:01 阅读量: 人文社科 文档下载
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第三节 定积分在物理上的应用一、变力沿直线所作的功 二、水压力
三、引力四、小结及作业
一、变力沿直线所作的功由物理学知道,如果物体在作直线运动的 过程中有一个不变的力F 作用在这物体上,且 这力的方向与物体的运动方向一致,那么,在 物体移动了距离 s 时,力F 对物体所作的功为 W F s.如果物体在运动的过程中所受的力是变化 的,就不能直接使用此公式,而采用“微元法” 思想.
例1
把一个带 q 电量的点电荷放在 r 轴上坐
标原点处,它产生一个电场.这个电场对周围的电 荷有作用力.由物理学知道,如果一个单位正电荷 放在这个电场中距离原点为 r 的地方,那么电场
q 对它的作用力的大小为 F k 2 ( k 是常数) , r 当这个单位正电荷在电场中从 r a 处沿 r 轴移动到 r b 处时,计算电场力 F 对它所作的 功.
解 取 r 为积分变量,
q
r [a , b],
o
a r r dr b
1
r
kq 取任一小区间[r , r dr ], 功元素 dw 2 dr , r
kq 1 1 1 a r 2 dr kq r a kq a b . 如果要考虑将单位电荷移到无穷远处所求功为 w bb
w
a
kq kq 1 . dr kq 2 a r r a
例 2 一圆柱形蓄水池 高为 5 米,底半径为 3 米,池内盛满了水. 问要把池内的水全部 吸出,需作多少功?点击图片任意处播放\暂停
解 建立坐标系如图取x为积分变量, x [0,5]取任一小区间[ x , x dx ],
ox
x dx5
x
这一薄层水的重力为9.8 32 dx
ox
x dx5
功元素为 dw x 88.2 dx,
x
w 88.2 x dx0
5
x 88.2 3462 (千焦). 2 0
2 5
例3 用铁锤把钉子钉入木板,设木板对铁钉的阻 力与铁钉进入木板的深度成正比,铁锤在第一次 锤击时将铁钉击入1厘米,若每次锤击所作的功 n 相等,问第 n次锤击时又将铁钉击入多少? 解 设木板对铁钉的阻力为 f ( x ) kx , 第一次锤击时所作的功为 w1 01
k f ( x )dx , 2
设 n次击入的总深度为 h厘米
n次锤击所作的总功为
wh f ( x )dx.h 0
kh2 wh 0 kxdx , 2 依题意知,每次锤击所作的功相等.h
kh 2 k wh nw1 n , 2 2
n 次击入的总深度为 h n,第 n 次击入的深度为n n 1.
二、水压力由物理学知道,在水深为 h 处的压强为 p h ,这里 是水的比重.如果有一面积为 A 的平板水平地放置在水深为 h 处,那么,平 板一侧所受的水压力为 P p A .
如果平板垂直放置在水中,由于水深不同 的点处压强 p 不相等,平板一侧所受的水压力 就不能直接使用
此公式,而采用“微元法”思 想.
例 4 一个横放着的圆柱形水桶,桶内盛有半桶水, R 设桶的底半径为 ,水的比重为 ,计算桶的一端面 上所受的压力.
解 在端面建立坐标系如图取x为积分变量,x [0, R]取任一小区间[ x , x dx ]ox
小矩形片上各处的压强近 似相等 p x , 小矩形片的面积为 2 R2 x 2 dx.
x dx
x
小矩形片的压力元素为 dF x 2 R 2 x 2 dx端面上所受的压力
F 2 x R x dx2 2 0
R
0
R
R x d(R x )2 2 2 2
2 3
R x2
2 3
2 3 3 R. 0
R
例5 将直角边各为 a 及 2a 的直角三角形薄板 垂直地浸人水中,斜边朝下,直角边的边长与 水面平行,且该边到水面的距离恰等于该边的 边长,求薄板所受的侧压力.
解 建立坐标系如图
2a
斜 边的 方程 y 2(a x ) :面积微元 2(a x )dx ,
oa
2a
dF ( x 2a) 2(a x)dx
x
F
a
0
7 3 2( x 2a)(a x) dx a . 3
三、引力由物理学知道,质量分别为m1 , m 2 相距为
m1 m 2 r 的两个质点间的引力的大小为F k , 2 r 其中k 为引力系数,引力的方向沿着两质点的连线方向.
如果要计算一根细棒对一个质点的引力, 那么,由于细棒上各点与该质点的距离是变化 的,且各点对该质点的引力方向也是变化的, 就不能用此公式计算.
例 6
有一长度为 l 、线密度为 的均匀细棒,
在其中垂线上距棒 a 单位处有一质量为 m 的 质点 M ,计算该棒对质点 M 的引力.
解 建立坐标系如图
l l 取y为积分变量 y , , y 2 2 o 取任一小区间[ y , y dy ]将典型小段近似看成质点 小段的质量为 dy ,
l y 2 y dy
r l 2
a M
x
yy dy
小段与质点的距离为 r a y , o2 2
y
r
a M
x
m dy 引力 F k 2 , 2 a y水平方向的分力元素 dFx k
am dy3 2
(a 2 y 2 ) l am dy 2km l 2 Fx l k 2 , 3 2 2 2 (a y ) a(4a 2 l 2 )1 2
,
由对称性知,引力在铅直方向分力为 Fy 0.
四、小结利用“微元法”思想求变力作功、 水压力和引力等物理问题.(注意熟悉相关的物理知识)
习题6 3 P291
6,8,10总习题六 P292
3, 6, 7
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