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微积分在物理竞赛中的应用

来源:用户分享 时间:2025/5/25 1:52:51 本文由loading 分享 下载这篇文档手机版
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..

对球壳 r ,从O到R积分:,而

所以 结论:球杆应打在距球心高 处为最佳。

☆ 补充:

为何滚动而不滑动的时候会有 ? ∵滚动而不滑动

∴质心的位移等于弧长 ,

牛吃草问题

有一头牛,被栓在一个半径为 r 的木桩上﹙如下图所示﹚绳子的一端被固定在A点,而牛能够走到木桩的对面B。木桩的外部都是草地,请问牛有办法吃到多少草呢?

解答:

.. .

..

图一

经由观察我们发现牛能吃到草的围如右图的斜线部份﹙见图二﹚。 由题意知绳长为,而在点左边的区域会是一个半圆。至于剩下的区域怎么求得呢?当绳子被木桩\拌住 \的时候﹙见图三﹚。

牛所达到的最远处为,其中弧长加直线长为﹙绳子的长度﹚,而曲线即所有这种点所形成的轨迹。

图二 图三

我们可以利用解析几何将轨迹描述出来:

取木桩的中心为原点,令与的夹角为θ﹙如图四﹚,于是点坐标为,而? 是圆在点上的切线段,所以,待定, 而 长度要等于弧长 ,于是 ,解得 , 所以点坐标即确定:

.. .

..

图四 图五

我们可先计算图五的斜线面积,它会是以下所表示的积分值:

﹙其中为周期函数,故﹚

∴ Area

至此可得吃草的围

=上下两块Area加上左半圆扣掉木桩面积 =

补充:图五中弧称为圆的渐伸线﹙involutes﹚

.. .

﹙平方单位﹚

..

.. .

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