题目
2.设物体占有的空间区域为球面x^2+y^2+z^2=1及三个坐标面在第一卦限内的部分,点(x,y,z)处的体密度为rho(x,y,z)=xyz,求物体的质量.
2.设物体占有的空间区域为球面$x^{2}+y^{2}+z^{2}=1$及三个坐标面在第一卦限内的部分,
点(x,y,z)处的体密度为$\rho(x,y,z)=xyz$,求物体的质量.
题目解答
答案
为了求出物体的质量,我们需要在物体所占有的空间区域上积分体密度函数$\rho(x, y, z) = xyz$。物体是球面$x^2 + y^2 + z^2 = 1$及三个坐标面在第一卦限内的部分。在球坐标系中,这个区域可以描述为$0 \leq \rho \leq 1$,$0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}$,和$0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{2}$。
在球坐标系中,体密度函数$\rho(x, y, z) = xyz$变为:
\[
\rho(\rho, \theta, \phi) = (\rho \sin \phi \cos \theta)(\rho \sin \phi \sin \theta)(\rho \cos \phi) = \rho^3 \sin^2 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta.
\]
在球坐标系中的体积元素是$\rho^2 \sin \phi \, d\rho \, d\theta \, d\phi$。因此,质量$M$由积分给出:
\[
M = \iiint_V \rho(x, y, z) \, dV = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^1 \rho^3 \sin^2 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta \rho^2 \sin \phi \, d\rho \, d\theta \, d\phi = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^1 \rho^5 \sin^3 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta \, d\rho \, d\theta \, d\phi.
\]
我们可以将这个积分分为三个独立的积分:
\[
M = \left( \int_0^1 \rho^5 \, d\rho \right) \left( \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos \theta \sin \theta \, d\theta \right) \left( \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3 \phi \cos \phi \, d\phi \right).
\]
首先,我们计算$\rho$的积分:
\[
\int_0^1 \rho^5 \, d\rho = \left[ \frac{\rho^6}{6} \right]_0^1 = \frac{1}{6}.
\]
接下来,我们计算$\theta$的积分:
\[
\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos \theta \sin \theta \, d\theta = \frac{1}{2} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin 2\theta \, d\theta = \frac{1}{2} \left[ -\frac{\cos 2\theta}{2} \right]_0^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \right) = \frac{1}{2}.
\]
最后,我们计算$\phi$的积分:
\[
\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3 \phi \cos \phi \, d\phi = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3 \phi \, d(\sin \phi) = \left[ \frac{\sin^4 \phi}{4} \right]_0^{\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{4}.
\]
将这些结果相乘,我们得到:
\[
M = \frac{1}{6} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{48}.
\]
因此,物体的质量是$\boxed{\frac{1}{48}}$。