题目
半径为a、中心角为2phi的均匀圆弧(线密度mu=1)的质心坐标(取x轴作为中轴,位于第一、四象限,圆心取原点) 提示bar(x)=(int_(L)xmu(x,y)ds)/(int_(L)mu(x,y)ds),bar(y)=(int_(L)ymu(x,y)ds)/(int_(L)mu(x,y)ds) A. ((asinphi)/(phi),0)B. (0,(asinphi)/(phi))C. ((acosphi)/(phi),0)D. (0,(acosphi)/(phi))
半径为$a$、中心角为$2\phi$的均匀圆弧(线密度$\mu=1$)的质心坐标(取$x$轴作为中轴,位于第一、四象限,圆心取原点)
提示$\bar{x}=\frac{\int_{L}x\mu(x,y)ds}{\int_{L}\mu(x,y)ds}$,$\bar{y}=\frac{\int_{L}y\mu(x,y)ds}{\int_{L}\mu(x,y)ds}$
- A. $(\frac{a\sin\phi}{\phi},0)$
- B. $(0,\frac{a\sin\phi}{\phi})$
- C. $(\frac{a\cos\phi}{\phi},0)$
- D. $(0,\frac{a\cos\phi}{\phi})$
题目解答
答案
为了找到半径为 $a$、中心角为 $2\phi$ 的均匀圆弧的质心坐标,我们使用给定的质心公式:
\[
\bar{x} = \frac{\int_{L} x \mu(x,y) \, ds}{\int_{L} \mu(x,y) \, ds}, \quad \bar{y} = \frac{\int_{L} y \mu(x,y) \, ds}{\int_{L} \mu(x,y) \, ds}
\]
由于线密度 $\mu = 1$,公式简化为:
\[
\bar{x} = \frac{\int_{L} x \, ds}{\int_{L} ds}, \quad \bar{y} = \frac{\int_{L} y \, ds}{\int_{L} ds}
\]
圆弧的长度 $L$ 为:
\[
L = a \cdot 2\phi
\]
因此,分母 $\int_{L} ds$ 简单地是 $2a\phi$。
接下来,我们需要用参数 $t$ 表达 $x$ 和 $y$,其中 $t$ 是从正x轴测量的角度。圆弧的参数方程为:
\[
x = a \cos t, \quad y = a \sin t
\]
对于 $t$ 的积分范围从 $-\phi$ 到 $\phi$。微分弧长 $ds$ 由下式给出:
\[
ds = a \, dt
\]
现在,我们可以计算 $\bar{x}$:
\[
\bar{x} = \frac{\int_{-\phi}^{\phi} a \cos t \cdot a \, dt}{2a\phi} = \frac{a^2 \int_{-\phi}^{\phi} \cos t \, dt}{2a\phi} = \frac{a \int_{-\phi}^{\phi} \cos t \, dt}{2\phi}
\]
$\cos t$ 的积分是 $\sin t$,因此:
\[
\int_{-\phi}^{\phi} \cos t \, dt = \sin \phi - \sin(-\phi) = 2 \sin \phi
\]
因此:
\[
\bar{x} = \frac{a \cdot 2 \sin \phi}{2\phi} = \frac{a \sin \phi}{\phi}
\]
接下来,我们计算 $\bar{y}$:
\[
\bar{y} = \frac{\int_{-\phi}^{\phi} a \sin t \cdot a \, dt}{2a\phi} = \frac{a^2 \int_{-\phi}^{\phi} \sin t \, dt}{2a\phi} = \frac{a \int_{-\phi}^{\phi} \sin t \, dt}{2\phi}
\]
$\sin t$ 的积分是 $-\cos t$,因此:
\[
\int_{-\phi}^{\phi} \sin t \, dt = -\cos \phi - (-\cos(-\phi)) = -\cos \phi + \cos \phi = 0
\]
因此:
\[
\bar{y} = \frac{a \cdot 0}{2\phi} = 0
\]
因此,质心的坐标为:
\[
\left( \frac{a \sin \phi}{\phi}, 0 \right)
\]
正确答案是:
\[
\boxed{A}
\]