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1、,第四节,一、立体体积,二、曲面的面积,三、物体的质心,四、物体的转动惯量,五、物体的引力,重积分的应用,第十章,1.能用重积分解决的实际问题的特点:,所求量是,对区域具有可加性,用微元分析法(元素法)建立积分式,分布在有界闭域上的整体量,3.解题要点:,画出积分域、选择坐标系、确定积分序、,定出积分限、计算要简便,2.用重积分解决问题的方法:,用重积分解决实际问题的基本原则,一、立体体积,曲顶柱体的顶为连续曲面,则其体积为,占有空间有界域 的立体的体积为,任一点的切平面与曲面,所围立体的体积 V.,例1,分析:,(示意图),求曲面,第一步:求切平面 方程;,第二步:求 与S2的交线 在xOy
2、面上的投影,写出所围区域 D;,第三步:求体积V.,任一点的切平面与曲面,所围立体的体积 V.,解,的切平面方程为,它与曲面,的交线在 xOy 面上的投影为,(记所围域为D),在点,例1,求曲面,曲面,例2,内接锥面所围成的立体的体积.,解,则立体体积为,求半径为a 的球面与半顶角为 的,在球坐标系下空间立体所占区域为,二、曲面的面积,设光滑曲面,则面积 A 可看成曲面上各点,处小切平面的面积 d A 无限积累而成.,设它在 D 上的投影为 d,(称为面积元素),则,故有曲面面积公式,若光滑曲面方程为,则有,即,若光滑曲面方程为,若光滑曲面方程为隐式,则,则有,且,例3,被柱面,所截,解,则,
3、出的面积 A.,曲面在 xOy 面上投影为,计算双曲抛物面,例4,解,设球面方程为,球面面积元素为,方法2,利用球坐标方程.,方法1,利用直角坐标方程.,(解略，祥见教材167页例1),计算半径为 a 的球的表面积.,例5,解,地球半径）.,试计算该通信卫星覆盖面积与地球表面积的比值（已知,卫星所覆盖的曲面 的方程为,运行的角速度与地球自转的角速度相同.,建立如图所示坐标系.,设有一颗地球同步通信卫星，距离地面的高度,于是卫星所覆盖的面积为,其中,利用极坐标，得,代入上式得,由于,由此得卫星覆盖面积与地球表面积之比为,由此可知，使用三颗相隔 角度的通信卫星可以覆盖几乎地球全部表面.,三、物体的
4、质心,设空间有n个质点,其质量分别,由力学知,该质点系的质心坐标,设物体占有空间域,有连续密度函数,则,公式,分别位于,为,为,即:,采用“大化小,常代变,近似和,取极限”可导出其质心,将 分成 n 小块,将第 k 块看作质量集中于点,例如,令各小区域的最大直径,系的质心坐标就近似该物体的质心坐标.,的质点,即得,此质点,在第 k 块上任取一点,同理可得,则得形心坐标：,若物体为占有xOy 面上区域 D 的平面薄片,(A 为D 的面积),则它的质心坐标为,其面密度,对 x 轴的 静矩,对 y 轴的 静矩,例6,和,的质心.,解,而,之间均匀薄片,求位于两圆,利用对称性可知,的方程为,内储有高为
5、 h 的均质钢液,解,采用柱坐标,则炉壁方程为,因此,故,自重,求它的质心.,若炉,不计炉体的,其坐标为,例7,一个炼钢炉为旋转体形,剖面壁线,利用对称性可知质心在 z 轴上，,四、物体的转动惯量,设物体占有空间区域,有连续分布的密度函数,该物体位于(x,y,z)处的微元,对 z 轴的转动惯量为,因质点系的转动惯量等于各质点的转动惯量之和,故,连续体的转动惯量可用积分计算.,类似可得:,对 x 轴的转动惯量,对 y 轴的转动惯量,对原点的转动惯量,如果物体是平面薄片,面密度为,则转动惯量的表达式是二重积分.,例8,解,半圆薄片的质量,的转动惯量.,求半径为 a 的均匀半圆薄片对其直径,建立坐标
6、系如图,解,则,球体的质量,例9,设球所占,域为,(用球坐标),转动惯量.,求密度为 的均匀球体对于过球心的一条轴 l 的,取球心为原点,z 轴为 l 轴,G 为引力常数,五、物体的引力,设物体占有空间区域,物体对位于点P0(x0,y0,z0)处的单位质量质点的引力为,其密度函数,引力元素在三坐标轴上分量为,其中,若求 xOy 面上的平面薄片D,对点P0处的单位质量质点,的引力分量,因此引力分量为,则上式改为D上的二重积分,密度函数改为,即可.例如,其中:,例10,设面密度为,半径为R的圆形薄片,求它对位于点,解,处的单位质量质点的引力.,。,由对称性知引力,例11,对位于,的单位质量质点的引力.,解,点,求半径为R的均匀球,利用对称性知引力分量,(t 为时间)的雪堆在融化过程中,其,侧面满足方程,设长度单位为厘米,时间单位为小时,设有一高度为,已知体积减少的速率与侧面积成正比,(比例系数 0.9),问高度为130 cm 的雪堆全部融化需要,多少小时?,补充题,(2001考研),提示:,记雪堆体积为 V,侧面积为 S,则,(用极坐标),由题意知,令,得,因此高度为130厘米的雪堆全部融化所需的时间为,100小时.,
