Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Зайцев И.Л. Элементы высшей математики для техникумов учебник

.pdf
Скачиваний:
267
Добавлен:
25.10.2023
Размер:
16.43 Mб
Скачать

300 П Р И Л О Ж ЕН И Я И Н Т Е ГР А Л А [ГЛ. XII

объемов конуса О А С и шарового сегмента АВС. При­ меняя формулы (2) и (5), найдем объем шарового сек­

тора:

ѵ = = ^ п Р А 2- ОР +

л

РВ2(0В

 

 

)'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РВ \

Обозначим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

РВ = Н,

 

OB =

R;

 

 

 

тогда

 

 

 

OP =

R

 

— Я

 

 

 

 

 

 

и из

треугольника

ОАР

 

 

2

 

 

-

Я 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PA2 =

R Z - ( R -

Н)2

-

R H

 

 

 

 

 

PB,

OB,

 

 

 

 

Подставив значения

 

 

 

 

OP,

РА2

в выражение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

объема

шарового сектора,

получим:

 

 

 

•о = - і я

(2RH -

Н2) (-R

- Я) +

лН2

(Я - 4 “) =

 

 

 

2

я

- } я я

2

2

+

 

 

nR2H,Я 2) =

= л ( | я

 

 

- | я

я

 

| я з + я я 2- у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2H.

 

 

=

-|

6

ООх,б ъ е м

 

АшСа р о в о г о

с л о я .

 

Шаровой слой

( )

 

 

полу­

чается

в

результате

 

вращения

фигуры

A C Q P

вокруг

оси

где

 

— дуга окружности с центром

в начале

координат

 

(рис.

134).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1161

 

 

 

 

 

О БЪ ЕМ Т ЕЛ А

ВРАЩ ЕН И Я

 

 

 

 

301

 

Положим:

 

O A =

OC =

R,

 

QC

 

 

г2,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PA =

r{

 

 

 

 

 

— h,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OP =

 

 

 

 

 

 

 

тогда согласно

 

 

 

,

 

 

 

 

PQ = H-,

 

слоя

 

 

 

формуле (

1

) объем

 

шарового

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OQ

 

 

 

 

H+h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H+ h

 

ѵ = л

. J*

y2dx = n'^

(R2 — X2)dx — n{^R2x

 

 

 

h

 

 

 

OP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-■

% •)}—

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— я { [ > (ff +

 

h)

 

 

 

 

 

з т

 

 

4

 

 

- „ ( w +

m

- H’ + знѣ

+

 

+

 

-

« у

, +

 

- ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— n

3R2ff -ff3- 3 ff2h - Sffh2- h 3+

h3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= nH^R2 — h2 — Hh — j fl*).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R 2

Но

так

как

R2 =

r\-\- h2

(из треугольника

О AP)

и

=

+

{H

+

h)2

(из треугольника

OCQ),

то

 

 

 

 

 

 

 

r2

h)2,

 

 

 

 

 

или

 

 

r2+

+

h2 = r2 +

 

{H +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

li2 = r2 +

 

H 2 +

2Hh +

h\

 

 

 

 

 

отсюда

Hh = fг2x — r%А — Hи2

Подставив найденные значения R2, Hh в выражение объема шарового слоя, получим:

 

 

 

 

 

 

 

г2

Н2

 

 

 

 

 

 

 

v =

nH\r2 +

h.2- h

 

Гу — г2

— Н

 

 

r2

2t

_2

 

ггЗ

2'

 

 

 

 

 

 

пН

2гі —

Г2

+

г\

 

н 2-

т " ’ )

■ пН

+, Я

=

 

 

V ,

V

 

гг Г\

+

Г 2

б ,

 

 

 

 

 

 

 

г, +2

п ■Я'

 

 

 

Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

ЛІІ

Г2

63

 

 

 

 

 

(7)

302

 

 

 

 

 

 

 

П Р И Л О Ж ЕН И Я

И Н Т ЕГР А Л А

 

 

 

 

 

[ГЛ. XII

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Упражнения

у

=

—х

+

3, а: =

0,

х

= 3

 

1. Фигура, ограниченная прямыми

 

 

 

 

и

 

= 0, вращается вокруг

оси

Ох.

Найти объем

полученного тела

вращения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у =

 

и прямыми

х —

2,

х

= 3

и

у

2. Фигура ограничена кривой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0. Найти объем тела, полученного

 

от

вращения

ее

вокруг

оси

Ох.

 

 

 

 

 

 

 

R —

 

 

см

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. От

 

шара

 

радиуса

5

 

 

отсечен

 

сегмент

с высотой

h

=

2

см.

Найти объем этого сегмента.

 

 

 

 

у

которого

 

радиус

 

 

4. Найти

объем

сферического сектора,

 

основания

г

=

3

см,

а радиус шара

R

=

5

см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

с радиусами

оснований

Г\

 

5. Найти

объем

сферического

 

слоя

=

5

см

и

Гі

=

8

см

и высотой

h

=

3

см.

 

 

 

 

вращения

 

вокруг

 

 

6. Вывести

формулу

объема

эллипсоида

 

 

оси Ох.

7.Найти объем параболоида вращения, у которого диаметр основания равен 60 см, а высота равна 50 см.

8.Найти объем тела, образуемого вращением вокруг оси Ох

фигуры, ограниченной кривой

у

 

=

sin

х

 

и

прямыми

х —

0

 

 

 

 

 

 

 

и X = я .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ох

9. Найти объем тела, полученного от вращения вокруг оси

фигуры,

ограниченной

осью

абсцисс

и кривой:

 

 

 

у

 

 

4.

 

1)

у

=

 

X 2,

2)

=

X 2

 

10.

 

 

 

Найти

объем

тела, получен

ного от вращения вокруг оси

Ох

фи­

гуры,

ограниченной

линиями:

 

 

 

 

 

 

 

у

=

X 2

+

1

и

у =

2.

 

 

 

 

§ 117. Поверхность шара и

его

частей.

 

 

 

 

 

ш а р а .

П о в е р х н о с т ь

 

 

Покроем

всю

шаровую поверх­

ность

 

 

множеством

 

сфериче­

ских

 

треугольников*).

Соеди­

ним прямыми линиями вершины этих треугольников ме­ жду собой и с центром шара. Мы получим множество пирамид, основаниями которых являются плоские тре­ угольники. Одна из таких пирамид изображена на рис. 135. Обозначим объем элементарной пирамиды через

*) Сферическим треугольником называется фигура, образован­

ная на

сфере тремя пересекающимися

дугами большого круга.

Точки пересечения этих дуг называются

вершинами треугольника,

а дуги,

которые образуют треугольник, — его сторонами.

§ 117]

П О В ЕРХ Н О С ТЬ Ш АРА

И

Е ГО Ч АСТЕЙ

303

А У, тогда будем иметь:

П5),

 

 

АУ ** j h A S

в основании,

где AS — площадь треугольника, лежащего

h

 

 

 

объем шара

— высота элементарной пирамиды. Пусть

будет Уш, а его поверхность 5. Сложив объемы всех та­ ких элементарных пирамид, получим приближенно объем шара, т. е.

 

 

 

 

 

2 i häS-

 

 

 

 

 

 

 

 

уш~ s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Будем

неограниченно

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

увеличивать число hтреугольников

на поверхности шара,

тогда

A S

— >-0

и

- + R

(радиус

шара). В этом случае

 

 

 

 

 

 

Js CLS =

\

R S.

(1)

Объем

шара, как известно [(4)

§ 116],

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заменив в равенстве

V m= - j n R 3.

 

 

 

получим:

(1) Уш его значением,

откуда

 

-|-nR3 =

 

± R S ,

 

 

 

 

 

 

 

2R = D

S =

4

nR2.

 

 

 

 

R 2

(2)

Известно, что

 

 

(диаметр шара), отсюда

4

=

=

D2,

поэтому

 

 

S =

nD2.

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

Формула (3) выражает поверхность шара через его диаметр.

С е г м е н т н а я п о в е р х н о с т ь . Рассуждаем так же, как и при выводе формулы шаровой поверхности. Покроем всю сегментную поверхность множеством сфе­ рических треугольников и их вершины соединим между собой и с центров шара прямыми линиями. Получим множество пирамид, в основании которых лежат

304

П Р И Л О Ж ЕН И Я И Н Т Е ГР А Л А

[ГЛ. XII

 

 

плоские треугольники. Одна из таких пирамид представ­ лена на рис. 136. Объем элементарной пирамиды

ДѴ « у

А AS,

а A S — пло­

где h — высота элементарной

пирамиды,

щадь ее основания. Будем неограниченно

увеличивать

количество треугольников на сегментной поверхности, тогда A S —»-О, h —* R . Суммируя бесконечно малые ве­

личины вида

 

с

h A S,

получим объем шарового сектора:

V ш. сект

lim

 

°ш^. сегм

“о-

h

AS ——

 

 

 

 

о

j

 

 

с

 

 

 

 

A S - > 0

 

 

 

ö

 

 

 

°ш . сегм

 

Но"ß"

 

=

°ш . сегм

 

 

 

 

 

 

 

 

J

К6) § 116], следовательно,J dS=i-^Sm.cerM.=

V m. ceKT= - ^ n

R 2H

 

 

 

 

 

о

 

-nR2H

 

о

 

 

 

 

 

 

 

:='

R S m.

сети»

откуда

 

 

 

2 nRH,

 

(4)

 

 

 

 

 

 

S m. сегм =

-

или

 

 

 

 

 

H ,

 

гдеD

D —

диаметр

шара.

S m. сеги =

п DA B C

 

П о в е р х н о с т ь

 

ш а р о в о г о

п о я с а .

Поверхность

шаровогоА ЕВпояса

 

CED.

 

(рис. 137) можнорассматривать

как

разностьА ЕВ

между поверхностями двухCEDшаровых сег­hu

ментов:

 

и

 

 

 

 

Обозначив, высоту

шарового сег­

мента

через Я , шарового сегмента

— через

§ П8]

Л УТЬ, П Р О Й Д ЕН Н Ы Й

т е л о м

305

 

высоту шарового слоя — через /г, получим:

'SLU.пояса == 5сеГМ- ЛЕВ 5сегм. CED ==

2nRH —- 2nRhi = 2яR h{) = 2nRh,

*^ш.пояса

2TlRhj

(5)

или 5 Ш.пояса = я Dh, где D — 2R — диаметр шара.

§ 118. Путь, пройденный телом. Путь s, пройденный телом за время t в прямолинейном движении с постоян­ ной скоростью ѵ, определяется по формуле

 

Если

 

 

 

s — vt.

 

 

 

то

 

 

 

 

(1 )

 

тело движется неравномерно,

скорость

его

меняется в зависимости vот времени

t,

т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f(t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чтобы найти в этом случае путь t.тела за время от

t

=

 

t\

 

 

п

до

t — t2,

разделим промёжуток

времениt

t2

1\

 

на

равных

и очень малых частей A

Положим, что в тече­

ние каждого

из промежутков времениt2 1\A

скорость

тела

остается постоянной, меняясь скачком в конце каждого

промежутка

Аі1. Пусть, например,

 

мы разбили

 

на

промежутки

At =

1 сек. Согласно

 

сделанному

допуще­

нию в

первую секунду тело движется

равномерно

 

и

в конце

ее меняет скорость, продолжая

в течение второй

секунды двигаться равномерно с полученной скоростью; затем в конце второй секунды приобретает новую ско­

рость, с которой и движется

равномерно в течение

третьей секунды й т. д.

f(t) At, а за время t2 tx

Поэтому путь тела за время

найдется по формуле

(1) и будет приближенно равен

путь его

 

it

 

. Будем увеличивать число делений п, тогда At, а так­ же и скачки в изменении скорости в конце каждого промежутка At будут все меньше и меньше. Если п —► оо, то А^->0, а, следовательно, и f(t)At^>0. При этом условии

306

П Р И Л О Ж Е Н И Я И Н Т Е ГР А Л А

[ГЛ. XII

скорость тела меняется уже не скачкообразно, а непре­ рывно,- и путь его будет равен:

или согласно

 

s =

lim

t,

 

 

 

 

д<-*о

 

 

формуле (5) § 113

tj

 

s =

ДlimІ-»-0

*2

 

ti

 

s = f f{t)dt.

(2 )

У

f ( 0 A/ = f f{t)dt,

 

 

‘I

 

и

I

»I

 

П р и м е р . Скорость движения тела задана уравне­ нием

V = {2t2+ t) см/сек.

Найти путь, пройденный им за 6 сек от начала дви­ жения.

Р е ш е н и е . Согласно формуле (2) имеем:

G

*=.о|Ѵ -и>‘«=(4'з+-И|'

- | - 6 3 + Y - 6 2= 162 с м .

Уп р а ж н е н и я

1.Скорость падающего в пустоте тела определяется по формуле

V = 9,8* м/сек.

Какой путь пройдет тело за первые 10 сек падения?

2.Найти формулу пути падающего тела в пустоте, если ско­ рость его падения

о= gt м/сек.

3.Скорость движения тела определяется по формуле

 

V —

(3*2 —

2t)

см/сек.

Какой путь тело пройдет за

5

сек

от

начала движения?

4.

Скорость движения тела

 

 

 

 

 

о =

 

^4*— p -j

см/сек.

Определить путь его за третью секунду.

5.

Два тела начинают движение одновременно из одной и той

же точки: одно со скоростью

 

 

 

 

 

V = З*2 м/мин,

§ 1191

РА Б О ТА СИЛЫ

307

другое со скоростью

о = 2/ м/мин.

На каком расстоянии друг от друга они будут через 10 мин, если они движутся по прямой линии в одном направлении?

6. Два тела движутся по одной и той же прямой линии: одно со скоростью

о = (З/2 + 2/) м/сек,

второе со скоростью

о = (8/ + 10) м/сек.

Если в начале движения они были вместе, то когда и на каком расстоянии от начала движения они опять будут вместе?

7. Найти путь, пройденный телом от начала движения до оста­ новки, если скорость его определяется по формуле

 

8.

 

V = (6/ — 2/2) см/сек.

 

Камень брошен с земли вертикально вверх. Найти наиболь­

шую высоту подъема камня, если скорость его

 

9.

 

V = (19,6 — 9,8/) м/сек.

 

Мяч брошен вертикально вверх с начальной скоростью

20

м/сек.

На какую наибольшую высоту он поднимется?

 

 

 

 

 

 

 

 

F\

 

 

 

 

 

 

 

§ 119. Работа силы. Пусть тело движется по прямой

линии под действиемО

постояннойД

силы В

 

тогда

работа

 

 

--------- 1--------------- 1---------------- 1------

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.

138.

 

 

 

 

 

 

 

 

Р,

X,

 

силой

на

пройденном

пути,

рав­

 

совершаемая этой

ном X

 

P =

Fx,

 

 

 

 

 

Р (

1

)

найдется по формуле

F

— в килограммах,

а

 

где

 

выражается в метрах,

 

в килограммометрах.

тела

происходит

под

действием

 

Но

если движение

переменной силы, то ее работа определяется сложнее. Выведем формулу для этого случая.

Допустим,

что тело, находящееся

в точкеF,О в состоя­

нии покоя,

начинает двигаться

по прямойх,

линии

(рис. 138) под действием переменной силы

изменяю­

щейся в зависимости от пройденного пути

т. е.

 

F = f(x).

308

 

 

 

 

 

П Р И Л О Ж ЕН И Я И Н Т Е ГР А Л А

 

 

 

 

[ГЛ. XII

Пусть

 

в Анекоторые

моменты

времени

 

телооказалось

в точках

 

и

В,

причем

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОВ — Ь.

 

 

 

 

 

 

Покажем,

 

 

 

ОА — а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как определить работу, совершаемую данной

силой на Ах.отрезке пути

AB =

 

b

а.

 

 

 

 

 

 

Для этого разобьемАх

его на

п

равных

и очень малых

отрезков

 

 

Положим, как и в задачеАх.

§

118, что на ка­

ждом

отрезке

сила

остается постоянной,Ах

изменяясь

скачком в концеf(x)Ax',каждого отрезка

Тогда

по

форму­

ле (1) работа силы на отрезке пути

 

будет

прибли­

женно

 

равна

 

 

 

работа

 

же силы

на

всем

пути

AB — b

а

 

 

 

 

 

 

ь

 

(*)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р ~

 

 

f

Ах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

число

делений

 

п

неограниченно

увеличивать,

то Ах, а следовательно, и

f(x) Ах

станут

бесконечно

ма­

этом

 

 

лыми

величинами.

При

 

 

 

условии

сила

будет

ме­

няться не скачками, а непрерывно, и искомая работа ее будет равна

 

ь

Р ~

Д limх - >2а if(x)Ax,0

или согласно формуле (5) § 113

ьь

 

 

Р =

lim

y \ f ( x ) A x —

 

f{x)dx,

 

 

 

 

 

а

b

 

а f

 

 

 

 

 

дх-*о ^

 

 

J

 

(2)

 

 

 

 

P =

\ f { x ) d x .

 

 

 

 

 

 

 

а

кГ

 

 

 

 

П р и м е р 1.

Сила

в

1

растягивает пружину на

3

см.

Какую работу она при этом производит?

 

 

Р е ш е н и е .

По закону

Гука

сила пропорциональна

растяжению или сжатию пружины, т. е.

 

F = kx,

где X — величина растяжения или сжатия ее, а А — коэффициент пропорциональности.

§ 1191-

РАБ О ТА СИЛЫ

309

 

 

Чтобы найти значение k для нашей задачи, подста­ вим данные величины в уравнение, выражающее закон Гука, получим;

откуда

1 =

/е . 0,03,

k

1

1

 

 

0,03

Следовательно, сила, растягивающая нашу пружину,

выразится в следующемF

виде:

Хш

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,03

 

 

 

 

 

 

Ьна­=

 

Так как сила начинаета =действовать на пружину,

ходящуюся в состоянии покоя, то нижний предел инте­

грала

в формуле

(2)

 

0,

верхний же

предел

 

 

=

0,03. Следовательно, искомая работа будет:

 

 

 

 

 

0,03

1

Х аХ

\

X 2

0,03

 

 

 

 

 

 

 

 

 

о

 

,

0,03

2

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,03

 

 

2

~ ~

2

=

0,015

кГм.

 

П р и м е р

2.

 

 

0,03

0,03г

_

0,03

 

 

 

В цилиндрическом

сосуде

заключен

атмосферный

воздух,

объем которого

Оо =

0,1

мг.

 

Ци­

 

 

линдр помещен в среду меньшей плотности, благодаря чему воздух в цилиндре расширяется, выталкивая пор­ шень. Вычислить работу, совершаемую воздухом при расширении его до объема щ = 0,2 м3. (Температура воздуха поддерживается постоянной.)

Р е ш е н и е . Как известно, объем газа, помещенного в закрытый сосуд, и производимое им давление при по­

стоянной

температуре связаны формулой

(закон Бой­

л я — Мариотта)

 

рѵ — k,

 

 

 

(3)

где

k =

const. Для решения задачи будем

 

рассуждать,

как и в случае вывода формулы (

2

).

 

 

 

По мере выталкивания поршня сила давления воз­

духа на

поршень

меняется. Разобьем весь

путь движе­

ния поршня на

п

очень малых отрезков

Ах

и будем счи­

 

 

тать, что на каждом из этих отрезков давление воздуха

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ