当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第五章 曲线曲面积分及其应用 > 第一节 第一型曲线积分及其应用 > 第一型曲线积分的应用
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
我们来学习第一型曲线积分的应用
前面
我们探究了第一型曲线积分的计算方法
利用曲线的显式方程或者参数方程
计算出曲线的弧长公式
这样
第一型曲线积分
就可以约化为一个定积分
另外
充分利用积分曲线的对称性
和被积函数的奇偶性
可以简化第一型曲线积分的计算
那么
第一型曲线积分具有哪些应用
这就是本节的中心任务
我们来考察一个具体实例
设曲线 L为曲面x²+y²+z²=a²
与x+y+z=0的交线
若曲线的线密度μ(x,y,z)=x²
求曲线L的质量
我们来分析一下
曲线L是由平面截取球面
所得到的交线
这个交线具有什么样的形状
如何写出交线的方程
如何表达曲线的弧长元
进而
利用第一型曲线积分
表达出曲线的质量
同学
自己动脑想一想
动手计算一下
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
有了上面的分析过程
我们首先建立曲线L的参数方程
在曲线L的方程中
消去变量z
可以得到曲线L
在坐标平面xoy上的投影
利用配平方法
可以得到投影曲线的方程
由投影曲线的方程启发
可以写出曲线L的参数方程
进一步地
如何计算曲线L的弧长元和质量
利用曲线L的参数方程
可以计算曲线的弧长元
进而
利用第一型曲线积分
表达出曲线的质量
直接计算积分
可以得到曲线的质量
同学
回顾一下上面的求解过程
体会一下
将一个物理问题
约化为数学问题
进而
利用数学方法
解决物理问题的思想和方法
我们再来考察一个具体实例
设曲线L为圆锥螺旋线
若曲线的线密度μ=x²+y²+z²
求曲线L对oz轴的转动惯量
我们来分析一下
曲线L是由参数方程给出的
如何计算参数曲线的弧长元
如何计算曲线微元对oz轴的转动惯量
进一步地
如何计算整条曲线对oz轴的转动惯量
同学
自己动脑想一想
动手计算一下
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
首先
计算参数曲线的弧长元
再计算曲线微元对oz轴的转动惯量
将微元对oz轴的转动惯量叠加起来
也就是积分
就可以得到整条曲线对oz轴的转动惯量
这是一个关于参数的无穷积分
计算可得曲线对oz轴的转动惯量
同学
回顾一下上面的求解过程
体会一下
上面的微元分析法
在解决有关物理问题时的作用
我们再来考察一个具体实例
设曲线L为圆锥螺旋线
若曲线的线密度μ=x²+y²+z²
求曲线L对位于原点处质量为m质点的引力
这条参数曲线就是实例2中的那条曲线
现在要求的是曲线对原点处质点的引力
我们首先计算曲线微元
对原点处质点的引力
再将微元对位于原点处质点的引力
在各个坐标轴方向
叠加起来
可以得到整条曲线对原点处质点的引力分量
同学 自己动脑想一想
动手计算一下
到学习讨论区
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首先
计算参数曲线的弧长元
视曲线微元为质点
利用质点间的引力公式
可以得到曲线微元与原点处的质点间的引力
这个引力的方向指向哪里
能够直接将曲线微元
与原点处质点间的引力叠加起来
得到整条曲线对原点处质点的引力吗
将曲线微元与原点处质点间的引力
作垂直分解
考察沿三个坐标轴方向上的分量
这些分量可以叠加起来吗
将曲线微元与原点处质点间的引力分量
叠加起来
也就是积分
这样
整条曲线对原点处的质点的引力分量
可以表示成第一型曲线积分
代入曲线的参数方程和弧长公式
可以计算这些积分值
进而得到
整条曲线对原点处质点的引力分量
本讲
我们探究了第一型曲线积分的应用
第一型曲线积分的引入
就是求曲线的弧长和质量
进一步地
利用第一型曲线积分
可以计算曲线关于某个旋转轴的转动惯量
以及曲线对质点的引力
利用这个思想
可以进一步地计算两条曲线间的引力
在学习这几个具体实例时
我们要深刻理解
如何利用数学建模的思想
把一个物理问题
约化为数学问题
再进行数学求解
最后将数学结果
代回到实际物理场景中
解释物理过程
关于第一型曲线积分
我们就学到这里
后面 我们来学习曲面积分
它可以认为是平面区域上的二重积分
在弯曲的曲面上的推广
也可以认为是一维的曲线积分
在二维情形的推广
有关第一型曲面积分
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