高等数学:第六章 定积分的应用(2)平面曲线的弧长 做功 水压力 引力

§6.4  平面曲线的弧长

一、直角坐标情形

设函数在区间上具有一阶连续的导数,计算曲线的长度

为积分变量,则,在上任取一小区间,那么这一小区间所对应的曲线弧段的长度可以用它的弧微分来近似。

于是,弧长元素为

弧长为

【例1】计算曲线的弧长。

解:

二、参数方程的情形

若曲线由参数方程

给出,计算它的弧长时,只需要将弧微分写成

的形式,从而有

【例2】计算半径为的圆周长度。

解: 圆的参数方程为

    

三、极坐标情形

若曲线由极坐标方程

给出,要导出它的弧长计算公式,只需要将极坐标方程化成参数方程,再利用参数方程下的弧长计算公式即可。

曲线的参数方程为

此时变成了参数,且弧长元素为

从而有

【例3】计算心脏线的弧长。

解:

 

 





§6.5  功、水压力和引力

一、变力沿直线所作的功

【例1】半径为的球沉入水中,球的上部与水面相切,球的比重为 1 ,现将这球从水中取出,需作多少功?

解:建立如图所示的坐标系

将高为的球缺取出水面,所需的力为:

其中:是球的重力,表示将球缺取出之后,仍浸在水中的另一部分球缺所受的浮力。

由球缺公式  有

从而    

十分明显,表示取出水面的球缺的重力。即:仅有重力作功,而浮力并未作功,且这是一个变力。从水中将球取出所作的功等于变力改变至时所作的功。

为积分变量,则,对于上的任一小区间,变力这段距离内所作的功。

这就是功元素,并且功为

 

 

另解  建立如图所示的坐标系

为积分变量, 则 

在  上任取一个小区间,则此小区间对应于球体上的一块小薄片,此薄片的体积为

由于球的比重为 1 , 故此薄片质量约为

将此薄片取出水面所作的功应等于克服薄片重力所作的功,而将此薄片取出水面需移动距离为 

功元素为  

二、水压力

在水深为处的压强为,这里是水的比重。

如果有一面积为的平板水平地放置在水深处,那未,平板一侧所受的水压力为

 

若平板非水平地放置在水中,那么由于水深不同之处的压强不相等。此时,平板一侧所受的水压力就必须使用定积分来计算。

 

【例2】边长为的矩形薄板,与水面成角斜沉于水中,长边平行于水面而位于水深处。设,水的比重为,试求薄板所受的水压力

解:由于薄板与水面成角斜放置于水中,则它位于水中最深的位置是

为积分变量, 则   (注意: 表示水深)

中任取一小区间,与此小区间相对应的薄板上一个小窄条形的面积是  

它所承受的水压力约为 

于是,压力元素

这一结果的实际意义十分明显

正好是薄板水平放置在深度为的水中时所受到的压力;

是将薄板斜放置所产生的压力,它相当于将薄板水平放置在深度为处所受的水压力。

三、引力

由物理学知道:质量为,相距为的两质点间的引力大小为

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,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,便不能简单地用上述公式来作计算了。

 

【例3】设有一半径为, 中心角为的圆弧形细棒, 其线密度为常数, 在圆心处有一质量为的质点, 试求这细棒对质点的引力。

解决这类问题,一般来说,应选择一个适当的坐标系。

解:建立如图所示的坐标系,质点位于坐标原点,该圆弧的参方程为

在圆弧细棒上截取一小段,其长度为,它的质量为,到原点的距离为,其夹角为,它对质点的引力的大小约为

在水平方向(即轴)上的分力的近似值为

而 

于是,我们得到了细棒对质点的引力在水平方向的分力的元素,

故      

类似地  

因此,引力的大小为,而方向指向圆弧的中心。



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