当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第四章 重积分及其应用 > 第三节 二重积分的应用 > 二重积分的物理应用
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大 微积分老师
宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来学习二重积分的物理应用
前面 我们探究了二重积分的几何应用
例如
立体的体积和显式曲面的面积等
当然 利用二重积分的思想和方法
可以计算出其他形式的曲面的面积
例如 参数曲面和隐式曲面的面积
以及其他几何量
还有 利用二重积分的思想和方法
可以解决许多物理的实际问题
这就是二重积分的物理应用
那么 如何利用二重积分的概念
计算各种物理量
这就是本讲的中心任务
设由两条直线与一条曲线界定的薄板
试求薄板的质量
如果薄板质地是均匀的
也就是假设薄板的面密度为常数
那么 薄板的质量等于面密度乘以面积
薄板的面积可以通过二重积分来表达
那么 如何计算质地非均匀薄板的质量
对于质地非均匀情形
假设面密度是x和y的乘积
我们利用二重积分的定义思想
或者说微元分析法
对薄板上的一个典型的微元
微元的面积等于dxdy
微元的质量等于面密度乘以微元的面积
然后 将微元的质量叠加起来
也就是说积分
可以得到整个薄板的质量
也就是说
对于质地非均匀的薄板
它的质量可以用面密度函数的二重积分来表达
进一步地
利用累次积分法
计算出薄板的质量
同学 这个计算方法具有一般性吗
动脑想一想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
将上述例题的思想和方法
推广到一般情形
可以得到一般平面区域薄板的面积定义和计算
设有一个平面区域薄板
及其面密度
如何定义和计算薄板的质量
利用微元分析法
在薄板上
选取一个典型的微元
微元的面积等于dxdy
微元的质量等于面密度乘以微元的面积
然后将微元的质量叠加起来
得到整个薄板的质量
也就是说
薄板的质量可以用
它的面密度函数的二重积分来表示
剩下的事就是计算这个二重积分了
这就是我们前面重点学习的内容了
终于学有所用了是不是
类似于薄板质量的定义和计算
我们可以定义和计算薄板的质心
设有一个平面区域的薄板
及其面密度
如何定义和计算薄板的质心位置
还是利用微元分析法
在薄板上
选取一个典型的微元
微元的面积等于dxdy
微元的质量等于面密度乘以微元的面积
微元关于x轴的力矩
等于微元的质量乘以微元到x轴的距离
然后将微元关于x轴的力矩
叠加起来
得到整个薄板关于x轴的力矩
最后 力矩除以质量
就得到了薄板质心的纵坐标
这个式子具有什么样的物理意义
由这个式子可以看出
质心的纵坐标就是薄板的
每一点处的纵坐标的加权平均
权函数就是面密度函数
那么 如何计算薄板质心的横坐标
同学 这个计算方法具有一般性吗
动脑想一想 动手算一算
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
我们来看一个具体示例
设有四分之一圆的薄板
半径为a
面密度与距离圆心的距离成正比
试求薄板质心的位置
建议大家不要直接套用公式
而是利用微元分析法
走一遍过程
这样可以学习分析的思想
这个分析的思想和过程
对于其它情形也是适用的
在薄板上
选取一个典型微元
微元的面积等于dxdy
微元的质量等于面密度乘以微元的面积
微元关于x轴的力矩
等于微元质量乘以微元到x轴的距离
然后再将微元关于x轴的力矩
叠加起来
可以得到整个薄板关于x轴的力矩
最后 力矩除以质量
就得到薄板质心的纵坐标
如何计算这些积分
由被积函数和积分区域的特点可知
选取极坐标系
计算上述积分
在极坐标系下
积分区域是一个极矩形
而面密度等于kr
相对而言都是比较简单的
将极坐标系下的二重积分
约化为累次积分进行计算
可以计算出质心的纵坐标
那么质心的横坐标等于多少
需要重新计算吗
可以利用区域和密度函数
对于变量x y具有轮换对称性
因此质心的横坐标等于质心的纵坐标
也就是质心落在第一象限的角平分线上
同学 再回头仔细品味一下
上述质心位置的计算过程
归纳总结一下
利用二重积分解决物理问题的思想和方法吧
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
对于一个作平动的质点
假设平动质点的质量为m
运动速度为v
则质点具有一定的动能
那么对于一个作转动的质点
已知转动质点的质量
转动的角速度以及转动半径
如何计算转动质点的动能
利用转动的角速度与转动半径
可以得到转动质点的线速度
再代入动能的计算表达式
可以得到转动质点所具有的动能
将平动和转动的质点动能计算公式对比
可以发现
在转动时
质点的质量与转动半径平方的乘积
具有与平动时质量相一致的地位
那么它们也具有相似的物理意义吗
质量是刻画质点平动惯性大小的物理量
转动质点的质量与转动半径平方的乘积
是刻画什么的呢
对比平动和转动时动能的计算表达式
转动质点的质量与转动半径平方的乘积
与平动质点的质量地位相当
质量是刻画质点平动惯性大小的物理量
那么
转动质点的质量与转动半径平方的乘积
就是刻画质点转动惯性大小的物理量
称为转动惯量
对于由若干个质点所构成的离散质点系
如何定义和计算它的转动惯量
设由n个质点所构成的质点系
它们的质量和距离转动轴的距离都是已知的
那么
每一个质点的转动惯量可以计算出来
类似于质量具有可加性
转动惯量也具有可加性
也就是
将所有质点的转动惯量加起来
就得到质点系的转动惯量
那么对于质量连续分布的转动物体
如何定义和计算它的转动惯量
对于质量连续分布的转动物体
如何定义和计算它的转动惯量
我们还是采用微元分析法
在转动物体上选取典型的微元
视微元为质点
计算微元对转动轴的转动惯量
再叠加起来
也就是积分
可以得到质量连续分布的转动物体
对转动轴的转动惯量
同学 回顾一下
转动惯量的定义过程
我们首先对理想情况
质点给出定义
再一点一点的推广
最终 得到了一般形式
这就是体现了数学概念的逐步的推广过程
值得我们仔细品味和理解
还是来考察前面的薄板
即由两条直线与一条曲线界定的薄板
面密度是x和y的乘积
试求薄板对x轴的转动惯量
采用微元分析法
对于在(x,y)处的微元
微元距x轴的距离为y
由此可得
微元对x轴的转动惯量
再叠加起来
也就是积分
可以得到薄板对x轴的转动惯量
进一步地
薄板对y轴的转动惯量是多少
薄板对z轴的转动惯量又是多少
同学 动脑想一想
动手算一算
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
本讲我们探究了二重积分的物理应用
例如
薄板的质量 质心的位置
以及转动惯量
这里我们应该主动学习和理解
解决物理问题的核心思想——微元分析法
对于微元我们可以视之为质点
然后利用有关质点的物理定律
计算相关的物理量
最后再叠加起来
当然 这里就暗含一个前提
所求的物理量具有可加性
并不是所有的物理量是具有可加性的
比如 温度
也就是说 我们每个人的温度是三十几度
一个教室有一百个人
温度就是三千多度了
至此
我们完整的学习了二元函数二重积分的引入
定义 性质 计算以及应用
比二元函数再多一个变元
就是三元函数了
如何定义和计算三元函数的三重积分
有关三元函数的三重积分
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结