Материал: 2231

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Работа переменной силы

Работа переменной силы f (x), действующей в направлении оси Ox на отрезке [x0 , x1 ], вычисляется по формуле

x1

 

 

A =

f (x)dx.

(87)

x0

 

 

Примеры (видео 7).

1. Найти работу, совершенную при выкачивании воды из корыта, имеющего форму полуцилиндра, длина которого a , радиус r (рис. 54).

 

0

y

 

 

 

 

И

 

 

x

Рис. 54

Д

Решение. При вычисленииАсилы давления жидкости используют закон Паскаля, по которому давление жидкости на площадку равно ее площади S , умноженной на глу ину погружения h, на плотность ρ и

ускорен е с лы тя

 

 

g , то есть P = ρ g h S .

x,

Объем элементарного слоя воды, находящегося на глубине

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

дл ной a , ш р бной 2 r x и толщиной dx равен

 

 

dV = amdx = 2a

r2 x2

dx .

 

жести

 

 

 

 

 

 

 

x,

Работа, совершаемая при подъеме этого слоя воды на высоту

С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по закону Паскаля, удовлетворяет равенству dA = 2ρ g a xr2 x2 dx , где ρ – плотность воды.

251

Поэтому находим работу по формуле (87):

 

 

 

A = 2ρ g a x r2

x2 dx = −ρ g a 2 (r2 x2 )32 r = 2 ρ g a r3 .

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

0

3

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Какую работу нужно затратить,

 

 

 

 

 

И

чтобы растянуть пружину на

0,06 м,

если сила 1 Н растягивает ее на 0,01 м?

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ( x) = k x ,

где

 

 

 

 

 

коэффициент

 

пропорциональности,

F – сила, растягивающая пружину на x м.

 

 

 

 

 

 

Полагая, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F = 1н,

x = 0, 01 м k =

 

1

 

= 100 ;

F ( x) = k x = 100 x ,

0, 01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,06

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

0,06

 

 

 

2

0,06

= 0,18 (дж).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A =

100 x d x = 100

 

 

 

 

 

0

= 50

x

 

0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

A = 0,18 дж.

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определить

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Сила тока

 

I

в проводнике меняется со временем по закону

I = 2 + 3t 2 .

 

 

 

 

 

,

какое количество

электричества проходит

через

поперечное

 

сечен

 

е

проводника

за

время

от t1 = 2 с. до

t2 = 5 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

Пусть

по

 

проводнику течет

ток переменной силы

Решен е.

 

I = I (t ), где

Iб(t ) 0 . Тогда количество электричества Q , протек-

шего через поперечное сечение проводника за промежуток времени

[t1 ; t2

]

(t1

< t2 ), выч сляется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q = I (t ) d t ,

 

 

 

 

 

 

(88)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где I

– выражено в амперах;

 

t – в секундах.

 

 

 

 

 

252

Решаем задачу по формуле (88):

5

2

 

 

3t

3

 

5

 

 

3

 

5

 

Q = (2

+ 3t ) d t =

 

+

 

 

 

 

= (2t + t

 

)

 

=

2t

3

 

 

2

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (2 5 + 53 ) (2 2 + 23 ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 10 + 125 ( 4 + 8 )= 135 12 = 123 (k.).

 

 

 

 

 

Ответ:

Q = 123k .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Зависимость производительности труда от времени в течение

смены (8 ч) для двух рабочих соответственно

 

 

 

 

 

р1 (t) = 23 – 0,4t;

р2 (t) =

26 – 0,2t – 0,003t2.

В первый день рабочие выполнили 80% всей работы. На сле-

дующий день

работу заканчивал один первый рабочий. За сколько

часов была выполнена вся работа?

 

 

 

 

 

 

И

 

 

Д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А

2

 

 

 

Решение. Совместная производительность рабочих равна

p (t)+ p

 

б2 3

1

2

 

Вычисляем ра оту, выполненную в первый день за 8 ч работы

по формуле (87), которая составляет 80% всей работы:

0,8A = 8 (p1(t)+ p2 (t))d t = 8 (49 0,6t 0,003t )d t =

0 0

= 49t 0,6 t

0,003 t

 

8

= 49 8 0,3 82 0,001 83 = 372,288.

 

 

2

 

3

 

0

 

 

 

 

 

 

 

Знач , объем работы,

который нужно выполнить во второй

ит

 

 

 

Пусть во второй день работа продолжа-

день, равен 0,2 A = 93,072.

 

 

лась t0 ч. Работу выполняет только первый рабочий, поэтому по фор-

муле (87) имеем

 

 

 

 

 

 

С

 

 

 

 

 

 

253

0,2A = t0 p1(t)d t = t0 (23 0,4t)d t =

0 0

 

 

= 23t 0,4

t2

 

t0

 

2

И

 

 

 

 

 

 

2

 

 

= 23 t0 0,2 t0 = 93,072.

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,2t0

2 23t0 + 93,072 = 0. Нахо-

Решаем квадратное уравнение

 

 

230

 

= 4,2

 

дим, что t0

=

45454,24

(ч). Второе значение t0 не соот-

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

ветствует условиям задачи.

 

 

 

 

 

 

Получили, что во второй день работа продолжается 4,2 ч. Общее время на выполнение работы – 12,2 ч.

Основные варианты применения определенных интегралов

Определенный интеграл используется при вычислении:

1.

 

б

 

 

площади фигур, ограниченных кривыми;

 

2.длины дуг различных кривых;

Д

3.

объем тел, о разованных вращением плоских

геометрические

фигур вокруг осей координат;

 

приложения

времени

 

 

4.

площади поверхностей, о разованных вращением

 

дуги кривой вокруг осей координат;

 

 

5.

пути, пройденный точкойА(по известной скорости);

6.

работу с лы, под воздействием которой

 

перемещается точка вдоль осей координат;

физические

С

 

 

приложения

7.

стат ческ моменты и центр тяжести

плоской ф гуры; 8. кол чество электр чества, протекающего

через поперечное сечен е проводника за промежуток т.д.

254

Задачи для самостоятельного решения

Вычислить площадь плоской пластины, ограниченной линиями:

1.y = x2 ; x + y = 2.

2.y = 2x x2 ; x + y = 0.

3.y = 2x ; y = 2; x = 0.

4.

y = x + sin2 x; y = x; y = 0; 0 x π .

 

5.

x = a (t sin t);

y = a (1cost);

0 t 2π ; (циклоидой) и y = 0.

6. x = 2t t2 ; y = 2t2 t3 .

 

 

7. r = a (1cosϕ) (кардиоида).

 

И

8. r 2

= a 2 cos 2ϕ (лемниската).

 

Найти длину дуги кривой:

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

9. y = x2 ; 0 x 4 .

 

 

10.

y = ln cos x; 0 x a < π .

 

 

 

 

x = a (t sin t);

2

 

 

11.

y = a (1cost); 0 t 2π .

12.

 

объем

 

 

Найти

 

чердака, основание которого есть прямоуголь-

ник со сторонами a и b, верхнее ре ро равноДc, а высота равна h.

Найти о ъем тела, полученного при вращении криволинейных

трапеций, ограниченных линиями:

 

 

радиус

 

 

Ox).

13.

y = 2x x

2 ; y

= 0 (вращение вокруг оси

14.

y = 2x x2 ; y = 0 (Авращение вокруг оси Oy).

15.

y = sin x;

y = 0; 0 x π (вращение вокруг оси Ox).

16.

y = sin x;

y = 0; 0 x π (вращение вокруг оси Oy).

17. Выч сл ть площадь поверхности, полученной при вращении

вокруг оси Ox плоской кр вой y = tg x ; 0 x π .

 

 

 

 

 

 

 

4

 

18.

Найти статический момент и момент инерции дуги полуок-

ружности

ом a

 

относительно

диаметра,

проходящего через

концы этой дуги.

 

 

 

 

 

19.

Какую работу надо затратить, чтобы тело массой m поднять

с поверхности Земли, радиус которой R, на высоту h?

20.

Определить силу давления воды на вертикальную стенку,

Симеющую форму полукруга радиусом a, диаметр которого находится

на поверхности воды?

 

 

 

 

255