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5.6.1 定积分的物理应用

下一节:6.1.1 换元积分法(1)

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5.6.1 定积分的物理应用课程教案、知识点、字幕

同学们

大家好

欢迎来到大学先修课

微积分课程

今天我们介绍

第五章 定积分

第六节 定积分的物理应用

我们在介绍定积分的几何应用时

之所以能将平面图形的面积

曲线的长度

以及旋转体的体积

都能表示成定积分形式

关键就是得到了相应的微元

所谓微元

就是将整体划分为局部之和

将局部量

用已知的均匀量

近似得到的局部量的计算公式

所以

利用定积分处理具体问题的关键

一是要知道均匀量的计算公式

二是要会对整体作合适的划分

本讲将通过几个具体问题

介绍定积分的物理应用

我们首先来看下

变力做功的问题

我们知道

一个物体

如果在常力作用下

沿直线移动

假设移动的距离我们用s表示

而力的大小我们用F表示

如果力的方向

与物体运动的方向一致时

我们知道

在这个运动过程中

力对物体

做的功的大小

W就等于F乘上s

也就是

在力的方向

与运动方向一致时

力对物体做的功

就等于力的大小

乘上物体在力的作用下

走过的距离

如果现在我们考虑的是

物体在运动的过程中

受到的力是变力

如果力的方向不变

只是大小改变时

那么

我们处理

变力做功的大小问题

就可以利用定积分去进行计算

下面

我们来看两道简单的例题

一道例题

我们假设地球的质量用M表示

半径是R

我们将地面上质量为m的物体

举高H米

我们求在这个过程中

克服重力所做的功的大小

我们现在考虑

将物体

从距地心x米

举高到距地心x加上dx米

这段的情况

在这个过程中

我们不妨假设

物体所受的重力的大小是不变的

就近似地表示成

M乘上m

除上这个物体到地心的距离

x的平方

再乘上重力加速度g

那么

在这个过程中

我们将物体

从距地心x米

举高到距地心x加上dx米时

我们克服重力所做功的微元

就是

在这个过程中

物体所受的力的大小

M乘上m

再除上x平方

乘上重力加速度g

最后再乘上

在这个过程中走过的距离dx

这就是在这个过程中

我们克服重力所做功的大小

这样

我们就得到了

我们要求的功的微元

我们对功的微元

从x等R

到x等R加H

做积分

这就是一个

简单的

幂函数的定积分计算问题

我们知道

负的x分之一的导数

是x平方分之一

也就是说

这个被积函数

它的原函数

就是负的g乘上M再乘m

除上x

根据牛顿莱布尼兹公式

那么

我们这个定积分的大小

就是被积函数的原函数

在上限处的值

减掉下限处的值

所以我们要求的

在这个过程中

克服重力所做的功是

g乘上M乘上m

再乘上括号里面

R分之一

减掉R加H分之一

这就是

我们利用定积分

处理的一个

简单的变力做功问题

下面

我们来看第二道例题

我们假设

有一个圆柱形的蓄水池

它的深度是5米

底面半径是10米

如果这个蓄水池中

盛满了水

我们要将池中的水全部抽出

需要做多少的功

我们来看下

这个问题的求解过程

我们画一个草图

也就是图1

我们取水面下的深度x

作为我们的积分变量

那么x的取值范围

就是0到5这个区间

对0到5这个区间上的

任一一个小区间

x到x加dx

它对应的一薄层水的深度

就是dx

这层水的体积

也就等于π乘上10的平方

再乘dx

也就是一个薄圆柱体的体积

底面积乘高

那么

这一部分水的重量

就是体积

乘上水的比重

再乘上重力加速度

我们要将

这一薄层水

抽出水池

那么

我们要做的功

可以近似地看作是

这一薄层水的重量

乘上这一薄层水

到这个容器边缘的高度

也就是x

这样

我们就得到了

我们要求的功的微元

dW就等于100乘上g

再乘γ乘上π乘x

最后乘上dx

这就是我们要求的功的微元

我们对功的微元

从x等0到x等5做积分

得到的就应该是

我们要求的功的大小

这也是一个简单的

一次函数的定积分计算问题

它的原函数

就是50倍的gγ乘上π

再乘x平方

我们根据牛顿莱布尼兹公式

就能得到

我们要求的

这个定积分的大小是

1250倍的g乘上γ再乘上π

这就是我们要求的

将这个容器中的水

全部抽出容器

需要所做的功

下面

我们看第二个简单的物理应用问题

就是关于压力问题

特别是关于水压力问题

我们知道

在水深为h处的水的压强是

p等于g乘上γ乘上h

其中g和γ是常数

g表示的是重力加速度

γ表示的是水的比重

也就是说

在水下

同样的深度

水的压强大小是相等的

如果我们将一块

面积为A的平板水平地放置在

水面下h处

那么

平板的一侧

所受的水压力

就等于

压强p乘上平板的面积A

这就是在水面下

水平放置一块平板

它受的水压力的大小计算公式

如果我们将一块平板

竖直地放置在水下时

由于不同深度处的水的压强不同

所以这个时候

我们要求平板一侧所受的水压力

就要用到定积分作为计算工具

下面我们来看一道具体的例题

请大家看图2

在这个图中

我们假设

有一个矩形闸门

这个闸门的宽度是10米

高度是15米

这个闸门与水平面垂直

且水面恰好淹没闸门

我们来求

这个闸门一侧所受的水压力

我们来看下图3

我们取水下的深度是x

作为我们的积分变量

那么x的取值范围

就应该是0到15

现在在这个范围中

我们考虑任一小区间

x到x加上dx

那么闸门上对应的一小块区域

宽度是10

高是dx

它是个小的矩形

这块矩形

它的一侧所受的水压力

我们可以近似地看作是gγx

这实际上是这块上

某一点所受的水的压强的大小

再乘上这块的面积

也就是宽度10乘上高度dx

这样我们就得到了

我们要求的压强的微元

dP就等于10倍的γg乘上x

再乘dx

我们对压力微元关于x

从0到15做积分

就会得到

我们要求的

闸门一侧所受的水压力的大小

这也是一个

一次函数的定积分计算问题

我们根据牛顿莱布尼兹公式

就会得到

要求的侧压力的大小是

1125倍的γ乘上g

最后我们来看下

怎么样利用定积分

处理质心的有关问题

首先我们来看下

质点系的质心

我们知道

如果数轴上

我们有n个分别位于xk的质点

在xk处的质点的质量

我们记作mk

我们假设

这些质点的质心是在X处

那么

X就应该满足下面这个方程

也就是

X乘上mk关于k从1到n求和

就等于

xk乘上mk对k从1到n求和

在这个方程中

只有X是未知量

所以我们就能求出

位于数轴上n个质点构成的

质点系的质心

在这个方程中

我们知道

mk对k从1到n求和

表示的是n个质点的总的质量

而xk乘上mk在物理上

表示的是第k个质点

关于原点的静力矩

我们对k从1到n求和

也就是把n个质点

关于原点的静力矩求和

所以在这个方程的两端

右端是所有质点

关于原点的静力矩之和

而左端

相当于是

把所有质点的质量集中到一起

作为一个质点

这个质点

关于原点的静力矩

应该与所有质点

关于原点的静力矩之和相等

那么得到的这个位置

就是我们要求的

这个质点系的质心位置

如果我们考虑的是

平面上的一个质点系

也就是在平面上

我们有n个质点

它的位置和质量

分别用xk yk和mk表示

如果我们把

这些质点构成的

质点系的质心位置

表示成X Y

那么

X Y就应该

满足下面这两个方程

第一个方程

就是X乘上所有质点的质量之和

就等于所有质点

关于y轴的静力矩之和

而Y乘上所有质点的质量之和

应该就等于所有质点

关于x轴的静力矩之和

我们用Iy等于xk乘上mk

表示第k个质点

关于y轴的静力矩

用Ix也就等于yk乘上mk

表示第k个质点

关于x轴的静力矩

这个时候

上面两个方程

也就表示的是

X乘上所有质点的质量之和

等于Iy关于k从1到n求和

Y乘上所有质点的质量之和

就等于Ix关于k从1到n求和

有了质点系的

质心计算公式之后

下面我们来看一下

连续曲线

或者是平面区域的质心问题

首先我们来看下

平面曲线的质心

我们假设

有一条平面曲线段

它带有质量

那么如何求这条

带有质量的平面曲线的质心

就要用到定积分的概念

和定积分的计算

我们来看一个具体情况

我们假设

函数f(x)具有连续导数

而曲线y等f(x)

x从a到b取值

它的线密度

我们用ρ(x)来表示

这个时候

对[a,b]区间上的任一一个小区间

x到x加dx来说

在曲线L上就对着有一小段弧段

这个长度

我们知道

可以近似为

dI就等于根下1加f'的平方

再乘上dx

这是前面我们得到的

直角坐标方程表示的曲线的微分

我们将这小段曲线

近似地看作一个质点

它的位置

我们就说是在(x,f(x))这点

而它的质量

我们可以近似地看作是

ρ(x)乘上dI

其中ρ(x)

是这一段小弧段上

某一点的线密度

这样我们就

把一条曲线段

分解成了一个质点系

而在这个质点系中

每个质点的位置和质量

我们已经知道了

所以这个质点系

它关于x轴和y轴的静力矩

我们就可以近似地得到是

x乘上ρ(x)

再乘上根下1加f'的平方

再乘dx

这就是关于y轴的静力矩

类似的

这个质点

它关于x轴的静力矩

就可以看作是

f(x)乘上ρ(x)

再乘上根下1加f'的平方

再乘dx

在这个表达式中

请大家注意

关于y轴的静力矩中

x表示的是

这个质点所在位置的横坐标

后边这个表达式

表示的是

这一小段曲线段

近似成质点之后

它的质量大小

类似的

在第二个表达式中

f(x)表示的是

这个质点所在位置的纵坐标

后边乘上的这个因子

仍然是这一小段曲线

所有质点时

它的质量近似值

有了每一个质点的静力矩

那么我们就得到

这条曲线L的质心(X,Y)

可以用下面的方程确定

也就是X就等于

x乘上ρ(x)

再乘根下1加f'的平方

关于x从a到b做积分

这对应的是

在质点系中

所有质点

关于y轴的静力矩之和

分母上是ρ(x)

乘上根下1加f'的平方

关于x从a到b积分

这表示的是

线密度是ρ(x)的曲线段

它整个的质量大小

应该就是这个定积分值的大小

类似的

我们质心的纵坐标

分子上表示的是

f(x)乘上ρ(x)

再乘根下1加f'的平方

关于x从a到b做积分

它对应的是质点系中

所有质点

关于x轴的静力矩之和

分母上

与第一个计算公式一样

表示的是

线密度是ρ(x)的曲线

它的整条曲线段的质量大小

这样

我们就利用定积分

解决了带有密度的

曲线段的质心的计算问题

下面

我们来做一道具体的题目

我们假设有一条线段

方程是y等x

x取值范围是0到1

在这条线段上

每点的密度

等于这个点到原点的距离

我们求这条线段的

质心的坐标X和Y

我们知道

这条线段是有对称性的

也就是说

根据对称性

就可以知道

它的质心的横坐标和纵坐标

是相等的

我们为了求质心的横坐标

我们可以相应地将

[0,1]区间上的任一小区间

x到x加dx对应的

一小段线段的长度

近似地看作dI

也就等于根下2倍的dx

因为密度是

这个点到原点的距离

所以说

这一小段上

我们可以认为

它密度不变

大小就是

ρ等于根下2倍的x

这样我们就得到了

这一小段线段的质量微元

也就是dm

就应该等于密度乘上长度

最后也就是

2倍x乘上dx

那么

这个质点关于y轴的静力矩

它的微元就是

dIy等于x乘上2倍x dx

x表示的是

这个质点所在位置的横坐标

2倍x dx表示的是

这个质点的质量大小

这样我们就求出了

这条线段的质心的横坐标

应该就等于2倍的x平方

对x从0到1做积分

在除上2倍的x

对x从0到1做积分

分子上表示的是

质点系中所有质点

关于x轴的静力矩之和

分母上

这个积分值的大小

表示的是

整条线段质量的大小

我们通过牛顿莱布尼兹公式

就可以得到

分子这个定积分的大小

是3分之2

分母这个定积分的大小

等于1

所以我们就得到了

质心的横坐标就是3分之2

这样我们就得到了

这条线段的质心位置

就是在3分之2 3分之2

这个点处

下面我们来看第五道例题

我们求

有抛物线

y等于4分之x平方

与直线y等于2分之x加上2

所围成的平面图形D的形心

首先我们说

一个平面图形的形心指的是什么

形心指的是

质量分布均匀的

平面薄板的质心

所以说

我们不妨假设

这个平面薄板D

它的密度就等于1

我们将抛物线和直线

它的图像画出来

我们知道

我们要求的这个平面图形

实际上就是图4中

第一个由抛物线和直线

围成的有界区域

为了求这块图形的形心

我们只考虑它其中的一条

也就是说

我们考虑

横坐标是x到x加dx

这个范围上对应的这条

我们将这条近似成一个质点

这个质点所在的位置

我们用P来表示

P的横坐标我们就看作是x

而P的纵坐标就是

上面这条直线

它的纵坐标

与下面这条抛物线

它的纵坐标的算数平均值

这样这个质点的位置

我们就确定了

而这个质点

它的质量大小

因为密度等1

实际上也就等于

这一竖条的面积大小

我们知道

这一竖条的面积

可以近似地看作是一个矩形面积

矩形的高度是

上面边界线的纵坐标

减掉下面边界线的纵坐标

而宽度就是dx

这样讨论清楚之后

我们来看下面的具体计算

那么我们刚才说的

那一竖条

近似成为质点之后

它关于y轴的静力矩微元

就应该是

dIy也就等于x乘上dm

也就等于4分之1倍的

括号里面

2倍的x方减掉x3次方

加上8再乘上dx

而这一竖条近似成一个质点后

它关于x轴的静力矩

它的微元是

dIx也就等于

2分之1倍的2分之x加上2

再加上4分之x方

这就是

这个质点所在位置的纵坐标

再乘上它的质量dm

最后也就等于

32分之1乘上括号里面

4倍的x平方加上32倍的x

减掉x4次方

再加上64

最后乘上dx

有了质量微元

和静力矩微元之后

我们利用定积分的计算

就可以求出

这个平面薄板

它这个的质量

就是2分之x加2

减掉4分之x平方

对x从左边x等负2这点

到右边x等4这点做积分

利用牛顿莱布尼兹公式

得到的结果就等于9

类似的

我们要求

它关于y轴的静力矩

也就是对它

关于y轴的静力矩微元

从x等负2到x等4做积分

同样我们可以得到

这个结果也等于9

对它关于x轴的静力矩微元

从x等负2到4做积分

我们利用牛顿莱布尼兹公式

得到的结果是5分之72

这样我们就得到了

要求的形心的横坐标

也就是这个平面图形

关于y轴的静力矩大小

除上这个平面图形的质量

也就等于9除上9

结果是1

类似的

我们要求的

形心的纵坐标

就等于这块平面图形

关于x轴的静力矩大小

除上这个平面图形的质量

最后的结果应该是5分之8

所以我们要求的形心位置是

横坐标等于1

纵坐标是5分之8

在这讲中

我们利用常力做功的计算公式

利用压强不变时的压力压强

与受力面积的关系

得到了变力做功的计算公式

和薄板在水下所受的

水压力公式

通过对相关例题的分析

我们要仔细体会

相应问题的处理思路和方法

要掌握利用相关的物理定律

得到简单物理问题中

相应微元的方法

质点系的质心

是利用静力矩相等

确定的一个平衡位置

将整体进行划分为局部之和

局部近似为质点

利用质点系质心坐标的计算公式

与定积分的概念

就可以求得

曲线的质心

和平面图形的形心

在此

确定每个质点的位置

和质量是整个问题解决的关键

本章介绍了定积分的概念性质

介绍了微积分基本定理

和微积分基本公式

介绍了定积分的简单应用

通过学习

我们对定积分化整为零

与积零得整的思想方法

有了更好的理解

同时也深切地体会到了

求简单函数原函数的重要性

另外定积分处理的

只是闭区间上的有界函数

但是在实际问题中

无穷区间或者是无界函数

也是经常会遇到的情形

从下一讲开始

我们将学习新的一章

这章的标题就是

积分法与反常积分

谢谢同学们

下一讲再见

微积分(先修课)课程列表:

第零章 绪论

-0.1 绪论

--0.1.1 绪论

第一章 极限

-1.1 极限概念引例

--1.1.1 极限问题举例

--第1.1节测试 极限概念引例

-1.2 极限的概念

--1.2.1 极限的概念(1)

--1.2.2 极限的概念(2)

--1.2.3 极限的概念(3)

--1.2.4 极限的概念(4)

--1.2.5 极限的概念(5)

--第1.2节测试 极限的概念

-1.3 极限的性质

--1.3.1 极限的性质(1)

--1.3.2 极限的性质(2)

--第1.3节测试 极限的性质

-1.4 极限的运算

--1.4.1 极限的运算

--第1.4节测试 极限的运算

-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理

--1.5.1 夹逼定理与单调有界收敛定理(1)

--1.5.2 夹逼定理与单调有界收敛定理(2)

--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理

--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理

-1.6 两个重要的极限

--1.6.1 两个重要的极限(1)

--1.6.2 两个重要的极限(2)

--第1.6节测试 两个重要的极限

-1.7 无穷小量

--1.7.1 无穷小量(1)

--1.7.2 无穷小量(2)

--第1.7节测试 无穷小量

第二章 连续函数

-2.1 连续函数的概念

--2.1.1 函数在一点连续的概念

--2.1.2 在一点的单侧连续性

--2.1.3 间断点的分类

--第2.1节测试 连续函数的概念

-2.2. 初等函数的连续性结论

--2.1.1 连续函数的运算性质

--第2.2节测试 初等函数的连续性结论

-2.3 连续函数的性质

--2.3.1 局部性质和零点存在定理

--2.3.2 闭区间上连续函数的性质

--第2.3节测试 连续函数的性质

第三章 导数与微分

-3.1 导数与导函数

--3.1.1 导数与导函数(1)

--3.1.2 导数与导函数(2)

--第3.1节测试 导数与导函数

-3.2 微分

--3.2.1 微分

--第3.2节测试 微分

-3.3 导数的运算

--3.3.1 导数的四则运算

--3.3.2 复合函数的链导法则

--3.3.3 反函数求导法

--第3.3节测试 导数的运算

-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法

-3.5 高阶导数

--3.5.1 高阶导数

--第3.5节测试 高阶导数

第四章 微分中值定理和导数的应用

-4.1 极值和极值点

--4.1.1 极值和极值点

--第4.1节测试 极值和极值点

-4.2 微分中值定理

--4.2.1 微分中值定理(1)

--4.2.2 微分中值定理(2)

--第4.2节测试 微分中值定理

-4.3 洛必达法则

--4.3.1 洛必达法则(1)

--4.3.2 洛必达法则(2)

--第4.3节测试(1) 洛必达法则

--第4.3节测试(2) 洛必达法则

-4.4 函数单调性的判定

--4.4.1 函数单调性的判定

--第4.4节测试 函数单调性的判断

-4.5 函数的极值及其求法

--4.5.1 函数的极值及其求法

--第4.5节测试 函数的极值及其求法

-4.6 函数的最值及其应用

--4.6.1 函数的最值及其应用

--第4.6节测试 函数的最值及其应用

-4.7 曲线的凸性和拐点

--4.7.1 函数的凸性和拐点(1)

--4.7.2 函数的凸性和拐点(2)

--第4.7节测试 函数的凸性和拐点

-4.8 曲线的渐近线

--4.8.1 曲线渐近线

--第4.8节测试 曲线的渐近线

-4.9 泰勒(Taylor)公式

--4.9.1 泰勒(Taylor)公式(1)

--4.9.2 泰勒(Taylor)公式(2)

--4.9.3 泰勒(Taylor)公式(3)

--第4.9节测试 泰勒公式

-4.10 原函数与微分方程初步

--4.10.1原函数与微分方程初步(1)

--4.10.2 原函数与微分方程初步(2)

--第4.10节测试 原函数与微分方程初步

第五章 定积分

-5.1 定积分问题举例

--5.1.1 定积分问题举例

-5.2 定积分的概念

--5.2.1 定积分的概念(1)

--5.2.2 定积分的概念(2)

--第5.2节测试 定积分的概念

-5.3 定积分的基本性质

--5.3.1 定积分的性质(1)

--5.3.2 定积分的性质(2)

--第5.3节测试 定积分的性质

-5.4 微积分基本定理

--5.4.1 微积分基本定理(1)

--5.4.2 微积分基本定理(2)

--第5.4节测试 微积分基本定理

-5.5 定积分的几何应用

--5.5.1 定积分的几何应用(1)

--5.5.2 定积分的几何应用(2)

--第5.5节测试 定积分的几何应用

-5.6 定积分的物理应用

--5.6.1 定积分的物理应用

第六章 积分法与反常积分

-6.1 换元积分法

--6.1.1 换元积分法(1)

--6.1.2 换元积分法(2)

--6.1.3 换元积分法(3)

--第6.1节测试 换元积分法

-6.2 分部积分法

--6.2.1 分部积分法(1)

--6.2.2 分部积分法(2)

--第6.2节测试 分部积分法

-6.3 有理函数的积分法

--6.3.1 有理函数的积分法(1)

--6.3.2 有理函数的积分法(2)

--第6.3节测试 有理函数的积分法

-6.4 定积分应用举例

--6.4.1 定积分应用举例

--第6.4节测试 定积分应用举例

-6.5 反常积分

--6.5.1 反常积分(1)

--6.5.2 反常积分(2)

--6.5.3 反常积分(3)

--6.5.4 反常积分(4)

--第6.5节测试 反常积分

第七章 无穷级数

-7.1 无穷级数

--7.1.1 无穷级数

--第7.1节测试 无穷级数

-7.2 正项级数

--7.2.1 正项级数

-7.3 比值判敛法和根式判敛法

--7.3.1 比值判敛法和根式判敛法

--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法

-7.4 一般项级数

--7.4.1 一般项级数(1)

--7.4.2 一般项级数(2)

--第7.4节测试 一般项级数

-7.5 幂级数

--7.5.1 幂级数

-7.6 函数的幂级数

--7.6.1 函数的幂级数

--第7.6节测试 函数的幂级数

-7.7 泰勒级数

--7.7.1 泰勒级数

--第7.7节测试 泰勒级数

-7.8 幂级数的简单应用

--7.8.1 幂级数的简单应用

第八章 常微分方程

-8.1 一阶可求解常微分方程

--8.1.1 一阶可求解常微分方程

--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程

-8.2 一阶线性微分方程

-- 8.2.1 一阶线性微分方程(1)

--8.2.2 一阶线性微分方程(2)

--第8.2节测试 一阶线性微分方程

-8.3 二阶线性常系数微分方程

--8.3.1 二阶线性常系数微分方程(1)

--8.3.2 二阶线性常系数微分方程(2)

--8.3.3 二阶线性常系数微分方程(3)

--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程

-8.4 常系数微分方程简单应用举例

--8.4.1 常系数微分方程简单应用举例(1)

--8.4.2 常系数微分方程简单应用举例(2)

期末考试

-期末考试

--期末考试说明

-期末考试--期末考试

5.6.1 定积分的物理应用笔记与讨论

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