当前课程知识点:微积分(先修课) > 第五章 定积分 > 5.6 定积分的物理应用 > 5.6.1 定积分的物理应用
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
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 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
--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
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--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
--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
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--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
--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
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 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
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--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
--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
--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
--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
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 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
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 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
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 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
--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
--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
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试