高等数学(第七版)同济大学 习题10-4(后7题)
函数作图软件:Mathematica
8. 设 球 占 有 闭 区 域 Ω = { ( x , y , z ) ∣ x 2 + y 2 + z 2 ≤ 2 R z } , 它 在 内 部 各 点 处 的 密 度 的 大 小 等 于 该 点 到 坐 标 原 点 的 距 离 的 平 方 , 试 求 这 球 的 质 心 . \begin{aligned}&8. \ 设球占有闭区域\Omega=\{(x, \ y, \ z)\ |\ x^2+y^2+z^2 \le 2Rz\},它在内部各点处的密度的大小等于该点到坐标\\\\&\ \ \ \ 原点的距离的平方,试求这球的质心.&\end{aligned} 8. 设球占有闭区域Ω={(x, y, z) ∣ x2+y2+z2≤2Rz},它在内部各点处的密度的大小等于该点到坐标 原点的距离的平方,试求这球的质心.
解:
在 球 面 坐 标 系 中 , Ω 表 示 为 0 ≤ r ≤ 2 R c o s φ , 0 ≤ φ ≤ π 2 , 0 ≤ θ ≤ 2 π , 球 内 任 意 一 点 ( x , y , z ) 处 的 密 度 大 小 为 ρ = x 2 + y 2 + z 2 = r 2 , 因 为 球 体 的 形 状 和 质 量 分 布 关 于 z 轴 对 称 , 可 知 质 心 位 于 z 轴 上 , 因 此 x ‾ = y ‾ = 0 , M = ∭ Ω ρ d v = ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 π 2 d φ ∫ 0 2 R c o s φ r 2 ⋅ r 2 s i n φ d r = 2 π ∫ 0 π 2 32 5 R 5 c o s 5 φ s i n φ d φ = 32 15 π R 5 , z ‾ = 1 M ∭ Ω ρ z d v = 1 M ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 π 2 d φ ∫ 0 2 R c o s φ r 2 ⋅ r c o s φ ⋅ r 2 s i n φ d r = 2 π M ∫ 0 π 2 64 6 R 6 c o s 7 φ s i n φ d φ = 5 4 R , 所 求 质 心 为 ( 0 , 0 , 5 4 R ) . \begin{aligned} &\ \ 在球面坐标系中,\Omega表示为0 \le r \le 2Rcos\ \varphi,0 \le \varphi \le \frac{\pi}{2},0 \le \theta \le 2\pi,球内任意一点(x, \ y, \ z)处的密度大小为\\\\ &\ \ \rho=x^2+y^2+z^2=r^2,因为球体的形状和质量分布关于z轴对称,可知质心位于z轴上,因此\overline{x}=\overline{y}=0,\\\\ &\ \ M=\iiint_{\Omega}\rho dv=\int_{0}^{2\pi}d\theta \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}d\varphi \int_{0}^{2Rcos\ \varphi}r^2\cdot r^2sin\ \varphi dr=2\pi \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{32}{5}R^5cos^5\ \varphi sin\ \varphi d\varphi=\frac{32}{15}\pi R^5,\\\\ &\ \ \overline{z}=\frac{1}{M}\iiint_{\Omega}\rho zdv=\frac{1}{M}\int_{0}^{2\pi}d\theta \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}d\varphi \int_{0}^{2Rcos\ \varphi}r^2\cdot rcos\ \varphi \cdot r^2sin\ \varphi dr=\frac{2\pi}{M}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{64}{6}R^6cos^7\ \varphi sin\ \varphi d\varphi=\frac{5}{4}R,\\\\ &\ \ 所求质心为\left(0, \ 0, \ \frac{5}{4}R\right). & \end{aligned} 在球面坐标系中,Ω表示为0≤r≤2Rcos φ,0≤φ≤2π,0≤θ≤2π,球内任意一点(x, y, z)处的密度大小为 ρ=x2+y2+z2=r2,因为球体的形状和质量分布关于z轴对称,可知质心位于z轴上,因此x=y=0, M=∭Ωρdv=∫02πdθ∫02πdφ∫02Rcos φr2⋅r2sin φdr=2π∫02π532R5cos5 φsin φdφ=1532πR5, z=M1∭Ωρzdv=M1∫02πdθ∫02πdφ∫02Rcos φr2⋅rcos φ⋅r2sin φdr=M2π∫02π664R6cos7 φsin φdφ=45R, 所求质心为(0, 0, 45R).
9. 设 均 匀 薄 片 ( 面 密 度 为 常 数 1 ) 所 占 闭 区 域 D 如 下 , 求 指 定 的 转 动 惯 量 : \begin{aligned}&9. \ 设均匀薄片(面密度为常数1)所占闭区域D如下,求指定的转动惯量:&\end{aligned} 9. 设均匀薄片(面密度为常数1)所占闭区域D如下,求指定的转动惯量:
( 1 ) D = { ( x , y ) ∣ x 2 a 2 + y 2 b 2 ≤ 1 } , 求 I y ; ( 2 ) D 由 抛 物 线 y 2 = 9 2 x 与 直 线 x = 2 所 围 成 , 求 I x 和 I y ; ( 3 ) D 为 矩 形 闭 区 域 { ( x , y ) ∣ 0 ≤ x ≤ a , 0 ≤ y ≤ b } , 求 I x 和 I y . \begin{aligned} &\ \ (1)\ \ D=\left\{(x, \ y)\ |\ \frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2} \le 1\right\},求I_y;\\\\ &\ \ (2)\ \ D由抛物线y^2=\frac{9}{2}x与直线x=2所围成,求I_x和I_y;\\\\ &\ \ (3)\ \ D为矩形闭区域\{(x, \ y)\ |\ 0 \le x \le a,0 \le y \le b\},求I_x和I_y. & \end{aligned} (1) D={(x, y) ∣ a2x2+b2y2≤1},求Iy; (2) D由抛物线y2=29x与直线x=2所围成,求Ix和Iy; (3) D为矩形闭区域{(x, y) ∣ 0≤x≤a,0≤y≤b},求Ix和Iy.
解:
(
1
)
I
y
=
∬
D
x
2
d
x
d
y
=
∫
−
a
a
x
2
d
x
∫
−
b
a
a
2
−
x
2
b
a
a
2
−
x
2
d
y
=
2
b
a
∫
−
a
a
x
2
a
2
−
x
2
d
x
=
4
b
a
∫
0
a
x
2
a
2
−
x
2
d
x
,
令
x
=
a
s
i
n
t
,
则
上
式
=
4
b
a
∫
0
π
2
a
3
s
i
n
2
t
c
o
s
t
⋅
a
c
o
s
t
d
t
=
4
a
3
b
[
∫
0
π
2
s
i
n
2
t
d
t
−
∫
0
π
2
s
i
n
4
t
d
t
]
=
4
a
3
b
(
1
2
⋅
π
2
−
3
4
⋅
1
2
⋅
π
2
)
=
1
4
π
a
3
b
.
(
2
)
D
=
{
(
x
,
y
)
∣
−
3
x
2
≤
y
≤
3
x
2
,
0
≤
x
≤
2
}
,
I
x
=
∬
D
y
2
d
x
d
y
对
称
性
‾
‾
2
∫
0
2
d
x
∫
0
3
x
2
y
2
d
y
=
2
3
∫
0
2
27
2
2
x
3
2
d
x
=
72
5
,
I
y
=
∬
D
x
2
d
x
d
y
对
称
性
‾
‾
2
∫
0
2
x
2
d
x
∫
0
3
x
2
d
y
=
2
∫
0
2
3
2
x
5
2
d
x
=
96
7
.
\begin{aligned} &\ \ (1)\ I_y=\iint_{D}x^2dxdy=\int_{-a}^{a}x^2dx\int_{-\frac{b}{a}\sqrt{a^2-x^2}}^{\frac{b}{a}\sqrt{a^2-x^2}}dy=\frac{2b}{a}\int_{-a}^{a}x^2\sqrt{a^2-x^2}dx=\frac{4b}{a}\int_{0}^{a}x^2\sqrt{a^2-x^2}dx,令x=asin\ t,\\\\ &\ \ \ \ \ \ \ \ 则上式=\frac{4b}{a}\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}a^3sin^2\ tcos\ t\cdot acos\ tdt=4a^3b\left[\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}sin^2\ tdt-\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}sin^4\ tdt\right]=4a^3b\left(\frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2}-\frac{3}{4}\cdot \frac{1}{2}\cdot \frac{\pi}{2}\right)=\\\\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \frac{1}{4}\pi a^3b.\\\\ &\ \ (2)\ D=\left\{(x, \ y)\ \bigg|\ -3\sqrt{\frac{x}{2}} \le y \le 3\sqrt{\frac{x}{2}},0 \le x \le 2\right\},I_x=\iint_{D}y^2dxdy \underline{\underline{对称性}}2\int_{0}^{2}dx\int_{0}^{3\sqrt{\frac{x}{2}}}y^2dy=\\\\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \frac{2}{3}\int_{0}^{2}\frac{27}{2\sqrt{2}}x^{\frac{3}{2}}dx=\frac{72}{5},I_y=\iint_{D}x^2dxdy\underline{\underline{对称性}}2\int_{0}^{2}x^2dx\int_{0}^{3\sqrt{\frac{x}{2}}}dy=2\int_{0}^{2}\frac{3}{\sqrt{2}}x^{\frac{5}{2}}dx=\frac{96}{7}.\\\\ & \end{aligned}
(1) Iy=∬Dx2dxdy=∫−aax2dx∫−aba2−x2aba2−x2dy=a2b∫−aax2a2−x2dx=a4b∫0ax2a2−x2dx,令x=asin t, 则上式=a4b∫02πa3sin2 tcos t⋅acos tdt=4a3b[∫02πsin2 tdt−∫02πsin4 tdt]=4a3b(21⋅2π−43⋅21⋅2π)= 41πa3b. (2) D={(x, y) ∣∣∣∣ −32x≤y≤32x,0≤x≤2},Ix=∬Dy2dxdy对称性2∫02dx∫032xy2dy= 32∫022227x23dx=572,Iy=∬Dx2dxdy对称性2∫02x2dx∫032xdy=2∫0223x25dx=796.
(
3
)
I
x
=
∬
D
y
2
d
x
d
y
=
∫
0
a
d
x
∫
0
b
y
2
d
y
=
a
b
3
3
,
I
y
=
∬
D
x
2
d
x
d
y
=
∫
0
a
x
2
d
x
∫
0
b
d
y
=
a
3
b
3
.
\begin{aligned} &\ \ (3)\ I_x=\iint_{D}y^2dxdy=\int_{0}^{a}dx\int_{0}^{b}y^2dy=\frac{ab^3}{3},I_y=\iint_{D}x^2dxdy=\int_{0}^{a}x^2dx\int_{0}^{b}dy=\frac{a^3b}{3}. & \end{aligned}
(3) Ix=∬Dy2dxdy=∫0adx∫0by2dy=3ab3,Iy=∬Dx2dxdy=∫0ax2dx∫0bdy=3a3b.
10. 已 知 均 匀 矩 形 板 ( 面 密 度 为 常 量 μ ) 的 长 和 宽 分 别 为 b 和 h , 计 算 此 矩 形 板 对 于 通 过 其 形 心 且 分 别 与 一 边 平 行 的 两 轴 的 转 动 惯 量 . \begin{aligned}&10. \ 已知均匀矩形板(面密度为常量\mu)的长和宽分别为b和h,计算此矩形板对于通过其形心且分别与\\\\&\ \ \ \ \ \ 一边平行的两轴的转动惯量.&\end{aligned} 10. 已知均匀矩形板(面密度为常量μ)的长和宽分别为b和h,计算此矩形板对于通过其形心且分别与 一边平行的两轴的转动惯量.
解:
建
立
直
角
坐
标
系
,
原
点
O
为
矩
形
板
的
形
心
,
x
轴
和
y
轴
分
别
平
行
于
矩
形
的
两
边
,
所
求
转
动
惯
量
为
I
x
=
∬
D
y
2
μ
d
x
d
y
=
μ
∫
−
b
2
b
2
d
x
∫
−
h
2
h
2
y
2
d
y
=
1
12
μ
b
h
3
,
I
y
=
∬
D
x
2
μ
d
x
d
y
=
μ
∫
−
b
2
b
2
x
2
d
x
∫
−
h
2
h
2
d
y
=
1
12
μ
h
b
3
.
\begin{aligned} &\ \ 建立直角坐标系,原点O为矩形板的形心,x轴和y轴分别平行于矩形的两边,所求转动惯量为\\\\ &\ \ I_x=\iint_{D}y^2\mu dxdy=\mu\int_{-\frac{b}{2}}^{\frac{b}{2}}dx\int_{-\frac{h}{2}}^{\frac{h}{2}}y^2dy=\frac{1}{12}\mu bh^3,I_y=\iint_{D}x^2\mu dxdy=\mu\int_{-\frac{b}{2}}^{\frac{b}{2}}x^2dx\int_{-\frac{h}{2}}^{\frac{h}{2}}dy=\frac{1}{12}\mu hb^3. & \end{aligned}
建立直角坐标系,原点O为矩形板的形心,x轴和y轴分别平行于矩形的两边,所求转动惯量为 Ix=∬Dy2μdxdy=μ∫−2b2bdx∫−2h2hy2dy=121μbh3,Iy=∬Dx2μdxdy=μ∫−2b2bx2dx∫−2h2hdy=121μhb3.
11. 一 均 匀 物 体 ( 密 度 ρ 为 常 量 ) 占 有 的 闭 区 域 Ω 由 曲 面 z = x 2 + y 2 和 平 面 z = 0 , ∣ x ∣ = a , ∣ y ∣ = a 所 围 成 , \begin{aligned}&11. \ 一均匀物体(密度\rho为常量)占有的闭区域\Omega由曲面z=x^2+y^2和平面z=0,|x|=a,|y|=a所围成,&\end{aligned} 11. 一均匀物体(密度ρ为常量)占有的闭区域Ω由曲面z=x2+y2和平面z=0,∣x∣=a,∣y∣=a所围成,
( 1 ) 求 物 体 的 体 积 ; ( 2 ) 求 物 体 的 质 心 ; ( 3 ) 求 物 体 关 于 z 轴 的 转 动 惯 量 . \begin{aligned} &\ \ (1)\ \ 求物体的体积;\\\\ &\ \ (2)\ \ 求物体的质心;\\\\ &\ \ (3)\ \ 求物体关于z轴的转动惯量. & \end{aligned} (1) 求物体的体积; (2) 求物体的质心; (3) 求物体关于z轴的转动惯量.
解:
(
1
)
由
Ω
对
称
性
可
知
,
V
=
4
∫
0
a
d
x
∫
0
a
d
y
∫
0
x
2
+
y
2
d
z
=
4
∫
0
a
d
x
∫
0
a
(
x
2
+
y
2
)
d
y
=
4
∫
0
a
(
a
x
2
+
a
3
3
)
d
x
=
8
3
a
4
.
(
2
)
由
对
称
性
可
知
,
质
心
位
于
z
轴
上
,
所
以
x
‾
=
y
‾
=
0
,
z
‾
=
1
M
∭
Ω
ρ
z
d
v
对
称
性
‾
‾
4
V
∫
0
a
d
x
∫
0
a
d
y
∫
0
x
2
+
y
2
z
d
z
=
4
V
∫
0
a
d
x
∫
0
a
1
2
(
x
4
+
2
x
2
y
2
+
y
4
)
d
y
=
2
V
∫
0
a
(
a
x
4
+
2
3
a
3
x
2
+
1
5
a
5
)
d
x
=
7
15
a
2
.
(
3
)
I
z
=
∭
Ω
ρ
(
x
2
+
y
2
)
d
v
对
称
性
‾
‾
4
ρ
∫
0
a
d
x
∫
0
a
d
y
∫
0
x
2
+
y
2
(
x
2
+
y
2
)
d
z
=
4
ρ
∫
0
a
d
x
∫
0
a
(
x
4
+
2
x
2
y
2
+
y
4
)
d
y
=
112
45
ρ
a
6
.
\begin{aligned} &\ \ (1)\ 由\Omega对称性可知,V=4\int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}dy\int_{0}^{x^2+y^2}dz=4\int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}(x^2+y^2)dy=4\int_{0}^{a}\left(ax^2+\frac{a^3}{3}\right)dx=\frac{8}{3}a^4.\\\\ &\ \ (2)\ 由对称性可知,质心位于z轴上,所以\overline{x}=\overline{y}=0,\overline{z}=\frac{1}{M}\iiint_{\Omega}\rho zdv\underline{\underline{对称性}}\frac{4}{V}\int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}dy\int_{0}^{x^2+y^2}zdz=\\\\ &\ \ \ \ \ \ \ \ \frac{4}{V}\int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}\frac{1}{2}(x^4+2x^2y^2+y^4)dy=\frac{2}{V}\int_{0}^{a}\left(ax^4+\frac{2}{3}a^3x^2+\frac{1}{5}a^5\right)dx=\frac{7}{15}a^2.\\\\ &\ \ (3)\ I_z=\iiint_{\Omega}\rho(x^2+y^2)dv\underline{\underline{对称性}}4\rho \int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}dy\int_{0}^{x^2+y^2}(x^2+y^2)dz=4\rho \int_{0}^{a}dx\int_{0}^{a}(x^4+2x^2y^2+y^4)dy=\frac{112}{45}\rho a^6. & \end{aligned}
(1) 由Ω对称性可知,V=4∫0adx∫0ady∫0x2+y2dz=4∫0adx∫0a(x2+y2)dy=4∫0a(ax2+3a3)dx=38a4. (2) 由对称性可知,质心位于z轴上,所以x=y=0,z=M1∭Ωρzdv对称性V4∫0adx∫0ady∫0x2+y2zdz= V4∫0adx∫0a21(x4+2x2y2+y4)dy=V2∫0a(ax4+32a3x2+51a5)dx=157a2. (3) Iz=∭Ωρ(x2+y2)dv对称性4ρ∫0adx∫0ady∫0x2+y2(x2+y2)dz=4ρ∫0adx∫0a(x4+2x2y2+y4)dy=45112ρa6.
12. 求 半 径 为 a 、 高 为 h 的 均 匀 圆 柱 体 对 于 过 中 心 而 平 行 于 母 线 的 轴 的 转 动 惯 量 ( 设 密 度 ρ = 1 ) . \begin{aligned}&12. \ 求半径为a、高为h的均匀圆柱体对于过中心而平行于母线的轴的转动惯量(设密度\rho=1).&\end{aligned} 12. 求半径为a、高为h的均匀圆柱体对于过中心而平行于母线的轴的转动惯量(设密度ρ=1).
解:
建 立 空 间 直 角 坐 标 系 , 使 原 点 位 于 圆 柱 体 的 中 心 , z 轴 平 行 于 母 线 , 圆 柱 体 所 占 的 空 间 闭 区 域 Ω = { ( x , y , z ) ∣ x 2 + y 2 ≤ a 2 , − h 2 ≤ z ≤ h 2 } 柱 面 坐 标 ‾ ‾ { ( ρ , θ , z ) ∣ 0 ≤ 0 ≤ 2 π , 0 ≤ ρ ≤ a , − h 2 ≤ z ≤ h 2 } , 所 求 转 动 惯 量 为 I z = ∭ Ω ( x 2 + y 2 ) d v = ∭ Ω ρ 2 ⋅ ρ d ρ d θ d z = ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 a ρ 3 d ρ ∫ − h 2 h 2 d z = 2 π ⋅ a 4 4 ⋅ h = 1 2 π h a 4 . \begin{aligned} &\ \ 建立空间直角坐标系,使原点位于圆柱体的中心,z轴平行于母线,圆柱体所占的空间闭区域\\\\ &\ \ \Omega=\left\{(x, \ y, \ z)\ \bigg|\ x^2+y^2 \le a^2,-\frac{h}{2} \le z \le \frac{h}{2}\right\}\underline{\underline{柱面坐标}}\left\{(\rho, \ \theta, \ z)\ \bigg|\ 0 \le 0 \le 2\pi,0 \le \rho \le a,-\frac{h}{2} \le z \le \frac{h}{2}\right\},\\\\ &\ \ 所求转动惯量为I_z=\iiint_{\Omega}(x^2+y^2)dv=\iiint_{\Omega}\rho^2 \cdot \rho d\rho d\theta dz=\int_{0}^{2\pi}d\theta \int_{0}^{a}\rho^3 d\rho \int_{-\frac{h}{2}}^{\frac{h}{2}}dz=2\pi \cdot \frac{a^4}{4}\cdot h=\frac{1}{2}\pi ha^4. & \end{aligned} 建立空间直角坐标系,使原点位于圆柱体的中心,z轴平行于母线,圆柱体所占的空间闭区域 Ω={(x, y, z) ∣∣∣∣ x2+y2≤a2,−2h≤z≤2h}柱面坐标{(ρ, θ, z) ∣∣∣∣ 0≤0≤2π,0≤ρ≤a,−2h≤z≤2h}, 所求转动惯量为Iz=∭Ω(x2+y2)dv=∭Ωρ2⋅ρdρdθdz=∫02πdθ∫0aρ3dρ∫−2h2hdz=2π⋅4a4⋅h=21πha4.
13. 设 面 密 度 为 常 量 μ 的 质 量 均 匀 的 半 圆 环 形 薄 片 占 有 区 域 D = { ( x , y , 0 ) ∣ R 1 ≤ x 2 + y 2 ≤ R 2 , x ≥ 0 } , 求 它 对 位 于 z 轴 上 点 M 0 ( 0 , 0 , a ) ( a > 0 ) 处 单 位 质 量 的 质 点 的 引 力 F . \begin{aligned}&13. \ 设面密度为常量\mu的质量均匀的半圆环形薄片占有区域D=\{(x, \ y, \ 0)\ |\ R_1 \le \sqrt{x^2+y^2} \le R_2,x \ge 0\},\\\\&\ \ \ \ \ \ 求它对位于z轴上点M_0(0, \ 0, \ a)(a \gt 0)处单位质量的质点的引力F.&\end{aligned} 13. 设面密度为常量μ的质量均匀的半圆环形薄片占有区域D={(x, y, 0) ∣ R1≤x2+y2≤R2,x≥0}, 求它对位于z轴上点M0(0, 0, a)(a>0)处单位质量的质点的引力F.
解:
引 力 元 素 d F 沿 x 轴 和 z 轴 的 分 量 分 别 为 d F x = G μ x ( x 2 + y 2 + a 2 ) 3 2 d σ 和 d F z = G μ ( − a ) ( x 2 + y 2 + a 2 ) 3 2 d σ , 则 F x = G μ ∬ D x ( x 2 + y 2 + a 2 ) 3 2 d σ 极 坐 标 ‾ ‾ G μ ∫ − π 2 π 2 d θ ∫ R 1 R 2 ρ c o s θ ( ρ 2 + a 2 ) 3 2 ⋅ ρ d ρ = G μ ∫ − π 2 π 2 c o s θ d θ ∫ R 1 R 2 ρ 2 ( ρ 2 + a 2 ) 3 2 d ρ = 2 G μ ∫ R 1 R 2 ρ 2 ( ρ 2 + a 2 ) 3 2 d ρ , 令 ρ = a t a n t , 则 上 式 = 2 G μ ∫ a r c t a n R 1 a a r c t a n R 2 a a 2 t a n 2 t a 3 s e c 3 t ⋅ a s e c 2 t d t = 2 G μ ∫ a r c t a n R 1 a a r c t a n R 2 a ( s e c t − c o s t ) d t = 2 G μ [ l n ( s e c t + t a n t ) − s i n t ] a r c t a n R 1 a a r c t a n R 2 a = 2 G μ ( l n R 2 2 + a 2 + R 2 R 1 2 + a 2 + R 1 − R 2 R 2 2 + a 2 + R 1 R 1 2 + a 2 ) , F z = − G a μ ∬ D d σ ( x 2 + y 2 + a 2 ) 3 2 极 坐 标 ‾ ‾ − G a μ ∫ − π 2 π 2 d θ ∫ R 1 R 2 ρ ( ρ 2 + a 2 ) 3 2 d ρ = π G a μ [ 1 ρ 2 + a 2 ] R 1 R 2 = π G a μ ( 1 R 2 2 + a 2 − 1 R 1 2 + a 2 ) , 因 为 D 关 于 x 轴 对 称 , 并 且 质 量 均 匀 分 布 , 所 以 F y = 0 , 因 此 引 力 F = ( 2 G μ ( l n R 2 2 + a 2 + R 2 R 1 2 + a 2 + R 1 − R 2 R 2 2 + a 2 + R 1 R 1 2 + a 2 ) , 0 , π G a μ ( 1 R 2 2 + a 2 − 1 R 1 2 + a 2 ) ) . \begin{aligned} &\ \ 引力元素dF沿x轴和z轴的分量分别为dF_x=G\frac{\mu x}{(x^2+y^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\sigma和dF_z=G\frac{\mu(-a)}{(x^2+y^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\sigma,则\\\\ &\ \ F_x=G\mu\iint_{D}\frac{x}{(x^2+y^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\sigma\underline{\underline{极坐标}}G\mu\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}d\theta \int_{R_1}^{R_2}\frac{\rho cos\ \theta}{(\rho^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}\cdot \rho d\rho=G\mu \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}cos\ \theta d\theta \int_{R_1}^{R_2}\frac{\rho^2}{(\rho^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\rho=\\\\ &\ \ 2G\mu \int_{R_1}^{R_2}\frac{\rho^2}{(\rho^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\rho,令\rho=atan\ t,则上式=2G\mu \int_{arctan\ \frac{R_1}{a}}^{arctan\ \frac{R_2}{a}}\frac{a^2tan^2\ t}{a^3sec^3\ t}\cdot asec^2\ tdt=\\\\ &\ \ 2G\mu \int_{arctan\ \frac{R_1}{a}}^{arctan\ \frac{R_2}{a}}(sec\ t-cos\ t)dt=2G\mu \left[ln(sec\ t+tan\ t)-sin\ t\right]_{arctan\ \frac{R_1}{a}}^{arctan\ \frac{R_2}{a}}=\\\\ &\ \ 2G\mu \left(ln\frac{\sqrt{R_2^2+a^2}+R_2}{\sqrt{R_1^2+a^2}+R_1}-\frac{R_2}{\sqrt{R_2^2+a^2}}+\frac{R_1}{\sqrt{R_1^2+a^2}}\right),\\\\ &\ \ F_z=-Ga\mu \iint_{D}\frac{d\sigma}{(x^2+y^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}\underline{\underline{极坐标}}-Ga\mu \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}d\theta \int_{R_1}^{R_2}\frac{\rho}{(\rho^2+a^2)^{\frac{3}{2}}}d\rho=\pi Ga\mu \left[\frac{1}{\sqrt{\rho^2+a^2}}\right]_{R_1}^{R_2}=\\\\ &\ \ \pi Ga\mu\left(\frac{1}{\sqrt{R_2^2+a^2}}-\frac{1}{\sqrt{R_1^2+a^2}}\right),因为D关于x轴对称,并且质量均匀分布,所以F_y=0,\\\\ &\ \ 因此引力F=\left(2G\mu \left(ln\frac{\sqrt{R_2^2+a^2}+R_2}{\sqrt{R_1^2+a^2}+R_1}-\frac{R_2}{\sqrt{R_2^2+a^2}}+\frac{R_1}{\sqrt{R_1^2+a^2}}\right), \ 0, \ \pi Ga\mu\left(\frac{1}{\sqrt{R_2^2+a^2}}-\frac{1}{\sqrt{R_1^2+a^2}}\right)\right). & \end{aligned} 引力元素dF沿x轴和z轴的分量分别为dFx=G(x2+y2+a2)23μxdσ和dFz=G(x2+y2+a2)23μ(−a)dσ,则 Fx=Gμ∬D(x2+y2+a2)23xdσ极坐标Gμ∫−2π2πdθ∫R1R2(ρ2+a2)23ρcos θ⋅ρdρ=Gμ∫−2π2πcos θdθ∫R1R2(ρ2+a2)23ρ2dρ= 2Gμ∫R1R2(ρ2+a2)23ρ2dρ,令ρ=atan t,则上式=2Gμ∫arctan aR1arctan aR2a3sec3 ta2tan2 t⋅asec2 tdt= 2Gμ∫arctan aR1arctan aR2(sec t−cos t)dt=2Gμ[ln(sec t+tan t)−sin t]arctan aR1arctan aR2= 2Gμ(lnR12+a2+R1R22+a2+R2−R22+a2R2+R12+a2R1), Fz=−Gaμ∬D(x2+y2+a2)23dσ极坐标−Gaμ∫−2π2πdθ∫R1R2(ρ2+a2)23ρdρ=πGaμ[ρ2+a21]R1R2= πGaμ(R22+a21−R12+a21),因为D关于x轴对称,并且质量均匀分布,所以Fy=0, 因此引力F=(2Gμ(lnR12+a2+R1R22+a2+R2−R22+a2R2+R12+a2R1), 0, πGaμ(R22+a21−R12+a21)).
14. 设 均 匀 柱 体 密 度 为 ρ , 占 有 闭 区 域 Ω = { ( x , y , z ) ∣ x 2 + y 2 ≤ R 2 , 0 ≤ z ≤ h } , 求 它 对 于 位 于 点 M 0 ( 0 , 0 , a ) ( a > h ) 处 的 单 位 质 量 的 质 点 的 引 力 . \begin{aligned}&14. \ 设均匀柱体密度为\rho,占有闭区域\Omega=\{(x, \ y, \ z)\ |\ x^2+y^2 \le R^2,0 \le z \le h\},求它对于位于\\\\&\ \ \ \ \ \ 点M_0(0, \ 0, \ a)(a \gt h)处的单位质量的质点的引力.&\end{aligned} 14. 设均匀柱体密度为ρ,占有闭区域Ω={(x, y, z) ∣ x2+y2≤R2,0≤z≤h},求它对于位于 点M0(0, 0, a)(a>h)处的单位质量的质点的引力.
解:
根 据 柱 体 的 对 称 性 和 质 量 分 布 的 均 匀 性 可 知 F x = F y = 0 , 引 力 沿 z 轴 的 分 量 F z = ∭ Ω G ρ z − a [ x 2 + y 2 + ( z − a ) 2 ] 3 2 d v = G ρ ∫ 0 h ( z − a ) d z ∬ x 2 + y 2 ≤ R 2 d x d y [ x 2 + y 2 + ( z − a ) 2 ] 3 2 柱 面 坐 标 ‾ ‾ G ρ ∫ 0 h ( z − a ) d z ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 R r d r [ r 2 + ( z − a ) 2 ] 3 2 = 2 π G ρ ∫ 0 h ( z − a ) [ 1 a − z − 1 R 2 + ( z − a ) 2 ] d z = 2 π G ρ ∫ 0 h [ − 1 − z − a R 2 + ( z − a ) 2 ] d z = − 2 π G ρ [ h + R 2 + ( h − a ) 2 − R 2 + a 2 ] . \begin{aligned} &\ \ 根据柱体的对称性和质量分布的均匀性可知F_x=F_y=0,引力沿z轴的分量F_z=\iiint_{\Omega}G\rho \frac{z-a}{[x^2+y^2+(z-a)^2]^{\frac{3}{2}}}dv=\\\\ &\ \ G\rho \int_{0}^{h}(z-a)dz\iint_{x^2+y^2 \le R^2}\frac{dxdy}{[x^2+y^2+(z-a)^2]^{\frac{3}{2}}}\underline{\underline{柱面坐标}}G\rho \int_{0}^{h}(z-a)dz\int_{0}^{2\pi}d\theta \int_{0}^{R}\frac{rdr}{[r^2+(z-a)^2]^{\frac{3}{2}}}=\\\\ &\ \ 2\pi G\rho \int_{0}^{h}(z-a)\left[\frac{1}{a-z}-\frac{1}{\sqrt{R^2+(z-a)^2}}\right]dz=2\pi G\rho \int_{0}^{h}\left[-1-\frac{z-a}{\sqrt{R^2+(z-a)^2}}\right]dz=\\\\ &\ \ -2\pi G\rho[h+\sqrt{R^2+(h-a)^2}-\sqrt{R^2+a^2}]. & \end{aligned} 根据柱体的对称性和质量分布的均匀性可知Fx=Fy=0,引力沿z轴的分量Fz=∭ΩGρ[x2+y2+(z−a)2]23z−adv= Gρ∫0h(z−a)dz∬x2+y2≤R2[x2+y2+(z−a)2]23dxdy柱面坐标Gρ∫0h(z−a)dz∫02πdθ∫0R[r2+(z−a)2]23rdr= 2πGρ∫0h(z−a)[a−z1−R2+(z−a)21]dz=2πGρ∫0h[−1−R2+(z−a)2z−a]dz= −2πGρ[h+R2+(h−a)2−R2+a2].