题目
判断:方向依纵轴的负方向、且大小等于作用点的横坐标的平方的力构成一个力场,则质点沿抛物线1-x=y²从点(1,0)移动至点(0,1)时,这个力场所作的功为-(8)/(15).A.对B.错
判断:方向依纵轴的负方向、且大小等于作用点的横坐标的平方的力构成一个力场,则质点沿抛物线1-x=y²从点(1,0)移动至点(0,1)时,这个力场所作的功为$-\frac{8}{15}$.
A.对
B.错
题目解答
答案
力场 $\mathbf{F}(x, y) = -x^2 \mathbf{j}$,质点沿抛物线 $1 - x = y^2$ 从 $(1, 0)$ 到 $(0, 1)$。将 $x = 1 - y^2$ 代入,得 $dx = -2y \, dy$。
功的线积分为:
\[ W = \int_C -x^2 \, dy = \int_0^1 -(1 - y^2)^2 \, dy = \int_0^1 (-1 + 2y^2 - y^4) \, dy \]
计算得:
\[ W = \left[ -y + \frac{2y^3}{3} - \frac{y^5}{5} \right]_0^1 = -1 + \frac{2}{3} - \frac{1}{5} = -\frac{8}{15} \]
答案:$\boxed{\text{对}}$
解析
本题考查力场做功的计算,解题思路是先根据题目条件确定力场的向量表达式,再利用曲线积分计算质点在力场中沿给定曲线移动所做的功。
- 确定力场向量:
- 已知方向依纵轴的负方向,且大小等于作用点的横坐标的平方的力构成一个力场。
- 在平面直角坐标系中,纵轴负方向的单位向量为$\mathbf{j}$,设力场为$\mathbf{F}(x,y)$,则$\mathbf{F}(x,y)=-x^{2}\mathbf{j}$。
- 计算功的线积分:
- 功$W$可以通过力场$\mathbf{F}$沿曲线$C$的线积分来计算,即$W = \int_{C}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}$,其中$d\mathbf{r}=dx\mathbf{i} + dy\mathbf{j}$。
- 那么$\mathbf{F}\cdot d\mathbf{r}=(-x^{2}\mathbf{j})\cdot(dx\mathbf{i} + dy\mathbf{j})=-x^{2}dy$,所以$W = \int_{C}-x^{2}dy$。
- 参数化曲线:
- 已知质点沿抛物线$1 - x = y^{2}$从点$(1,0)$移动至点$(0,1)$,将$x$用$y$表示,可得$x = 1 - y^{2}$。
- 对$x = 1 - y^{2}$两边求导,根据求导公式$(X^n)^\prime=nX^{n - 1}$,可得$dx=-2y\mathrm{d}y$。
- 当$x = 1,y = 0$;当$x = 0,y = 1$,所以积分变量$y$的积分区间是$[0,1]$。
- 代入并计算积分:
- 将$x = 1 - y^{2}$代入$W = \int_{C}-x^{2}dy$中,得到$W=\int_{0}^{1}-(1 - y^{2})^{2}dy$。
- 根据完全平方公式$(a - b)^2=a^2 - 2ab + b^2$,将$(1 - y^{2})^{2}$展开得$(1 - y^{2})^{2}=1 - 2y^{2}+y^{4}$,则$W=\int_{0}^{1}(-1 + 2y^{2}-y^{4})dy$。
- 根据积分公式$\int x^n\mathrm{d}x=\frac{x^{n + 1}}{n+1}+C(n\neq - 1)$,对$\int_{0}^{1}(-1 + 2y^{2}-y^{4})dy$进行计算:
$\begin{align*}W&=\left[-y+\frac{2y^{3}}{3}-\frac{y^{5}}{5}\right]_0^1\\&=(-1+\frac{2\times1^{3}}{3}-\frac{1^{5}}{5})-(-0+\frac{2\times0^{3}}{3}-\frac{0^{5}}{5})\\&=-1+\frac{2}{3}-\frac{1}{5}\\&=-\frac{15}{15}+\frac{10}{15}-\frac{3}{15}\\&=-\frac{8}{15}\end{align*}$