当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第六节 定积分的物理应用 > 物理应用简介
下面我们来讨论定积分的最后一类应用
就是定积分的物理应用
实际上我们在做定积分的几何应用的时候
我们已经强调了
我们这些应用的过程
实际上就是定积分的定义的过程
分割取点求极限求和黎曼和
然后求黎曼和的极限
因为我们那些函数都是可积的
所以最后黎曼和的极限
我们可以证明
它跟分割的类型和取点的类型都无关
那么在这些过程中间
最最重要的一件事情
就是近似
怎么样合适
适当的近似
那么所谓近似
一定是有误差的
那么对定积分来讲
什么样的误差是可以接受的
也就是说什么样的误差
最后你求体积也好
求面积也好
它最后的值是不受影响的
什么样的误差
是会受到影响
从数学上来讲
如果说最后那个误差是一个高阶无穷小
关于δx的高阶无穷小
那么这些误差实际上是不会经过累计的
在积分求极限情况下
那么这些误差是不会再有了
如果不是高阶无穷小
那么那些误差都是应该会累积下来
而那时候那些近似
都是不允许的
比如说我们在刚才求旋转体的表面积的时候
和求旋转体的体积的时候
我不知道大家注意过没有一件事情
就是在同样旋转体
我求这一小片
我在算体积的时候
我算的厚度
是指的是dx
我在算表面积的时候
这时候
我不再按dx来算
而来按弧长dl来算
你可以试一下
如果在算表面积的时候
你再用dx来做
那么实际上你会发现
dx和dl
这时dx和dl差的不是高阶无穷小
它差的就是一个倍数的问题
所以这种误差在我们定积分里面是不允许出现的
所以非常非常重要的一件事情
希望大家能仔细体会
什么样的近似是可以接受的
什么样的近似是不可以接受的
同样在定积分的物理应用里面
我们也有一些近似
我们来看一个例子
x轴这是原点o
这个是x轴
我们在x轴上我们放了一个很细的细杆
这个细杆的质量是M
长度是2倍的L
从-L到L
我们讲它是一个细杆
实际上来讲
我们忽略了它的宽度
我们只要它的长度而忽略它的宽度
那么我们说这时候我们把它叫做很细的细杆
我在右边放一个这是一个质点
是一个单位质量的质点
位置放在x=a
其中a是大于L的
我现在要求这个杆
对于这个质点的万有引力
对质点的万有引力
我们已经学过
如果说有两个质点
它们之间的万有引力是这么给出来的
F=-G万有引力系数
Mm除以r的平方
M是一个质点的质量
m是另外一个质点的质量
r的平方
r是指这两个质点之间的距离
那么我们可以发现
这个杆它是有长度的
从-L到+L
它已经不再是一个质点了
因为杆上不同的点到质点
这个单位质量的质点的这么一个位置
它的距离都是不一样的
那怎么样来讨论这么一个杆
对a这一点它的万有引力
我们可以想办法
用所谓的微元法
也就是我们对这个杆做分割
一段一段一段分割
我们找其中某一小段
这一小段的它的质量是多少
M除以2倍的L
M是质量2倍的L是杆的长度
那么这个我们把它叫做某种密度
就是质量的线密度
也就是单位长度的杆的它的质量
乘上dx
这就是这一小块的长度叫做dx
位置是x
坐标是x
长度是dx
这一小块的它的质量是M除以2L乘上dx
这一小块到a这一点它的距离
我们可以知道这个距离就是a-x
所以我们可以知道这一小块我们可以把它看成质点
那么这一个质点和这一个质点彼此之间的万有引力
我们可以把它写作dF
很小的一个万有引力
它就等于负的GM质量是M除以2倍的L乘上dx
这是质量
乘上a这一点我们想是质点
质点就是单位质量的质点
所以它的质量是1
除以距离的平方
距离我们讲是(a减x)括弧的平方
这就是这一小块对a这个质点的它的万有引力
那么整体这个杆对a这个质点的万有引力
它就是一个累加
一小块一小块一小块累加
累加之后取极限
所以整体的万有引力F就是等于
从-L到+L负的GM除以(2倍的L)
然后dx/(a-x)括弧的平方
就可以做这么一个定积分来近似的表示出来
那么这个定积分当然是并不难算
就等于负的GM除以2L-L到Ldx/(a-x)括弧的平方
就等于负的GM除以2L
原函数就是a-x分之1在x=-Lx=L
就等于它
我们把+L-L带进去
最后求得的那个值
就是这么一个杆状物体对a这么一个质点的万有引力
好我们来看看第二个题
有一个水池子
是圆柱形状的这么一个水池子
这个半径是3m
高度是5m
里面装满了水
现在问你要把里面所有的水都抽出来
所需要做的功是多少
我们还是用微元法
因为你会发现
不同的地方抽出来的水它所做的功
功和那个距离有关系
所以不同深度的水所抽取出来所做的功
因为深度不一样所以它是不一样的
所以我们用截取某一小片
这个段
厚度正好是dx
我们想象一下
我们把这个水冻成冰
冻成冰之后
你一块一块锯下来
每一块
从做一个坐标系
这个朝下
变成x坐标
正轴向下
我们把那个水冻成冰之后
我们一块一块切下来
某一小块经过这个距离端出来所做的功
累加起来就是把所有的冰块都搬出来所做的功
做功是具有累加性
所以我们把它想象成这么一件事情
我们来看看
要把这么一块
把它搬出来的话
要做多少功
这个正好我们把它写成是x
距离是x
那么这一小块冰块或者说水块
它的质量是π乘上3的平方
再乘上dx
这是体积
再乘上水的密度就是ρ
这是这一小块的质量
那么ρ的话就看你用什么单位
如果在国际单位制下
ρ应该是1000千克每立方米
这是质量
再乘上g
就是它的重力
那么所谓做功
克服重力把它拿出来
所以受的力应该是它
再乘上x
x是这一小块所要经过的距离它就是x
抬升x之后
就可以把它拿出来了
所以这就是把这一小块
把它拿到外面来
所需要做的功
那么每一次都一块一块拿
一共要拿多少块
那跟你的切割就有关系了
所谓做功的话
当然就是累加
所谓累加的话
就是从x等于0
到x等于5
最深5m这个水的积分
那当然就很简单了
33得9
9倍的π乘上ρ是常数g也是常数
乘上二分之x平方
x取0取5
最后单位是焦耳
那么在这两个例子里面
我们都是用了
实际上用的就是定积分它的定义
分割取点近似求累加求极限
那么这些过程在物理里面
我们把它称之为微元法
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
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--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习