高等數(shù)學56-定積分的物理應用新

11三月2024高等數(shù)學56定積分的物理應用新5.9定積分的物理應用二.液體壓力一.變力沿直線做功習例1三.萬有引力四、函數(shù)的平均值與均方根習例2習例定積分的物理應用習例一、變力沿直線所作的功變力作功包括有：電場力作功、氣體壓力作功、克服阻力作功、萬有引力作功、彈力作功等.解題思路：(1)適當選取坐標系及積分變量；(2)寫出功元素dw的表達式；(以不變代變，其中用了公式(3)列出定積分并求值即得w.一、變力沿直線所作的功由于力的大小隨物體所在的位置變化而變化，因此它是一個的函數(shù)，記為，并且假定在上連續(xù)。求變力在上所作的功？設物體在軸上運動，且在從移動到的過程中，一直受到跟軸的正方向一致的變力的作用，如圖所示

考慮用定積分的元素法。選為積分變量，則(2)在上任取一小區(qū)間,當物體從移動到時，由于位移很小，變力近似于恒力，則在此小區(qū)間上變力所做功的元素為(3)變力在上所作的功為：

在彈性限度內(nèi)，彈簧拉伸（或壓縮）的長度與外力成正比，已知彈簧拉長0.02（m），需用9.8（N）的力，求把彈簧拉長0.1（m）所做的功。例1

設拉力為，彈簧的伸長量為則（為比例系數(shù)），從而有

在上任取一小區(qū)間，則在此小區(qū)間上變力所做功的元素為解即變力函數(shù)為：

如圖建立坐標系，取為積分變量于是，拉力所做的功為

則在此小區(qū)間上變力所做功的元素為解建立坐標系如圖。例2

在上任取一小區(qū)間問題：物體在變力F(x)的作用下，從x軸上a點移動到b點，求變力所做的功。用積分元素法1）在[a,b]上考慮小區(qū)間[x,x+x]，在此小區(qū)間上wdw=F(x)dx2）將dw從a到b求定積分，就得到所求的功

總結(jié)：變力沿直線所作的功習例1例3(1)半球形貯水池，貯滿水，從池中把水抽出，問作多少功？(2)若半球形貯水池平底在下，問作多少功？例4半徑為R，比重為

(大于1)的球沉入深為H(>2R)的水池底，現(xiàn)將其從水中取出，問需作多少功？例5

用鐵錘把釘子釘入木板，設木板對鐵釘?shù)淖枇εc鐵釘進入木板的深度成正比，鐵錘在第一次錘擊時將鐵釘擊入1厘米，若每次錘擊所作的功相等，問第n次錘擊時又將鐵釘擊入多少？習例解答解功元素所求功為點擊圖片任意處播放\暫停解建立坐標系如圖習例解答這一薄層水的重力為功元素為(千焦)．習例解答例3(1)半球形貯水池，貯滿水，從池中把水抽出，問作多少功？(2)若半球形貯水池平底在下，問作多少功？解(1)如圖所示建立坐標系，則邊界曲線方程為選x為積分變量，這一薄層水的重力為習例解答(2)如圖所示建立坐標系，則邊界曲線方程為選y為積分變量，這一薄層水的重力為習例解答注意：也可建立另一如圖所示的坐標系，則邊界曲線方程為選x為積分變量，這一薄層水的重力為習例解答例4半徑為R，比重為

(大于1)的球沉入深為H(>2R)的水池底，現(xiàn)將其從水中取出，問需作多少功？解如圖所示建立坐標系，則邊界曲線方程為選x為積分變量，將其取出水面總行程為H,在水中行程為H

2R

x,在水外行程為H

(H

2R

x)

2R

x,習例解答在水中作功的力為在水外作功的力為此時功元素為兩部分之和(水中與水外)習例解答解設木板對鐵釘?shù)淖枇槔?

用鐵錘把釘子釘入木板，設木板對鐵釘?shù)淖枇εc鐵釘進入木板的深度成正比，鐵錘在第一次錘擊時將鐵釘擊入1厘米，若每次錘擊所作的功相等，問第n次錘擊時又將鐵釘擊入多少？第一次錘擊時所作的功為設

次擊入的總深度為厘米次錘擊所作的總功為習例解答依題意知，每次錘擊所作的功相等．次擊入的總深度為第次擊入的深度為習例解答二、液體壓力解題思路：(1)適當選取坐標系及積分變量；(2)寫出液體壓力元素dF的表達式；(以不變代變，其中用了公式(3)列出定積分并求值即得F.二、液體壓力習例2解在端面建立坐標系如圖習例2---解答習例2---解答解建立坐標系如圖斜邊方程為積分變量為小面積習例2---解答則在此小區(qū)間上閘門所受壓力的元素為解在上任取一小區(qū)間例8一個豎直的閘門，形狀是等腰梯形，尺寸與坐標如圖所示，當水面齊閘門時，求閘門所受的壓力？從而三、萬有引力解題思路：(1)適當選取坐標系及積分變量；(2)寫出引力元素dF的表達式；(以不變代變，其中用了公式(3)列出定積分并求值即得F.三、萬有引力解建立坐標系如圖將典型小段近似看成質(zhì)點小段的質(zhì)量為萬有引力習例及解答小段與質(zhì)點的距離為引力元素水平方向的分力元素萬有引力習例及解答鉛直方向的分力元素萬有引力習例及解答設質(zhì)點的質(zhì)量為m,繞軸l轉(zhuǎn)動，角速度為,則線速度為v=r,轉(zhuǎn)動動能為E=1/2m(r)2=1/2J2轉(zhuǎn)動慣量例求長為l,

=1的細桿關(guān)于y軸的轉(zhuǎn)動慣量.xyol解

x(0,l)

,把小段[x,x+dx]視為質(zhì)量集中于x處的質(zhì)點，則

m=x=dxdJ=dmx2=x2dx四、轉(zhuǎn)動慣量（J=mr2)例有一質(zhì)量為M,半徑為R的均勻圓片，求（1）對垂直圓面中心軸的轉(zhuǎn)動慣量；（2）對直徑的轉(zhuǎn)動慣量。解（1）與軸等距離的點轉(zhuǎn)動慣量相同故

x(0,R)

,視位于[x,x+dx]的小圓環(huán)質(zhì)量是集中于x處的質(zhì)點，dJ=dmx2=x2dA=（2）

x(0,R)

,視小細條[x,x+dx]的質(zhì)量集中于x處，dJ=dmx2=

五、函數(shù)的平均值與均方根

1.平均值實例：用某班所有學生的考試成績的算術(shù)平均值來描述這個班的成績的概貌.算術(shù)平均值公式只適用于有限個數(shù)值問題：求氣溫在一晝夜間的平均溫度.入手點：連續(xù)函數(shù)在區(qū)間上的平均值.討論思想：分割、求和、取極限.(1)分割：每個小區(qū)間的長度設各分點處的函數(shù)值為函數(shù)在區(qū)間上的平均值近似為每個小區(qū)間的長度趨于零.(2)求和：(3)取極限：五、函數(shù)的平均值與均方根函數(shù)在區(qū)間上的平均值為幾何平均值公式區(qū)間長度五、函數(shù)的平均值與均方根解設電阻為R,功率一個周期區(qū)間平均功率則電路中的電壓為函數(shù)的平均值習例及解答結(jié)論：