04-5-圆盘法与圆柱壳法求体积


圆盘法与圆柱壳法求体积

圆盘法与圆柱壳法

本讲通过例题介绍两种计算旋转体体积的方法:圆盘法和圆柱壳法。

例 1. 女巫的大锅

图 1:$y=x^{2}$ 绕 y 轴旋转。

方法 1:圆盘法

图 2:女巫的大锅问题的圆盘法。

图 2 中圆盘的面积为
圆盘的厚度为 ,小体积为
大锅的体积

(代入 )

米,则 给出

关于单位的陷阱

厘米,则

但是 。为什么答案不同?矛盾来自方程不具尺度不变性。在顶部, 厘米。所以第二个锅只有 20 厘米宽,如图 3 所示。相比之下,

图3:瘦长锅

米时,锅口宽十倍:。方程 两边的物理量纲并不相同,所描述的形状取决于所使用的单位。

方法 2:圆柱壳法

图 4:$x=$ 圆柱壳的半径。圆柱壳的厚度 $=dx$。圆柱壳的高度 $=a-y=a-x^{2}$。

薄圆柱壳的高度为 ,周长为 ,厚度为

(与圆盘法结果相同)


例 2. 加热大锅里的水

令锅高 米。假设目标温度随高度线性变化:

图5:加热大锅($y=a=1$米)

于是:锅底 处为 ,锅顶 处为

使用圆盘法,因为水平圆盘上的温度相同。所需的总热量为

(单位:

换算为卡路里:

若一块糖果约含 250 千卡,则相当于约

所以,将水加热大约需要 500 块糖果的能量。

图6:管道中心流速更快,边缘(管壁处)流速最慢——“无滑移条件”

例 3. 圆管中的泊肃叶流

泊肃叶是第一个研究流体在管道(动脉、毛细血管)中流动的人。
他发现流体在管道中流动的速度分布为:


图 7:流体流速与距管道中心距离的关系。

半径 、厚度 的薄环带面积为 (见图 8:周长 ,厚度 )。
该环带通过的体积流率为

图 8:管道的横截面。

通过管道的总流量:

总流量

注意,总流量与 成正比,因此管径稍微增加就能显著提高流量。

例 4. 飞镖盘

假设瞄准圆心,但落点并不完美。
落点在半径 处的命中次数 成正比。

命中密度随半径递减,圆心附近命中最可能。

图 9:命中密度随距飞镖盘中心距离 $r$ 的变化。

半径在 的环带内命中次数与

成正比。下一讲将继续研究这一概率模型。


文章作者: Gustavo
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