题目
x 轴上长为 alpha,线密度为常数 mu 的均匀细直杆,对其右侧距右端点 alpha 处质量为 m 的质点引力 F 的大小为()。A. int_(0)^-alpha (kmu)/((a+x)^2) dx,B. int_(0)^alpha (kmu)/((a+x)^2) dx,C. int_(-alpha)^0 (kmu)/((a+x)^2) dx,D. int_(alpha)^0 (kmu)/((a+x)^2) dx。
$x$ 轴上长为 $\alpha$,线密度为常数 $\mu$ 的均匀细直杆,对其右侧距右端点 $\alpha$ 处质量为 $m$ 的质点引力 $F$ 的大小为()。
A. $\int_{0}^{-\alpha} \frac{kmu}{(a+x)^{2}} dx$,
B. $\int_{0}^{\alpha} \frac{kmu}{(a+x)^{2}} dx$,
C. $\int_{-\alpha}^{0} \frac{kmu}{(a+x)^{2}} dx$,
D. $\int_{\alpha}^{0} \frac{kmu}{(a+x)^{2}} dx$。
题目解答
答案
B. $\int_{0}^{\alpha} \frac{kmu}{(a+x)^{2}} dx$,
解析
本题考查定积分在物理中的应用,具体是利用微元法求细直杆对质点的引力。解题的关键思路是将细直杆分割成无数个小段,先求出每个小段对质点的引力微元,再通过积分求出整个细直杆对质点的引力。
- 建立坐标系并确定微元:
- 以细直杆的右端点为原点,$x$轴正方向向右建立坐标系。
- 在细直杆上取一小段$[x,x + dx]$,这一小段的长度为$dx$,由于细直杆的线密度为常数$\mu$,根据质量公式$m = \rho V$(这里线密度$\mu$相当于$\rho$,长度$dx$相当于$V$),可得这一小段的质量为$dm = \mu dx$。
- 计算微元对质点的引力:
- 已知质点质量为$m$,该小段到质点的距离为$a + x$(因为质点在细直杆右侧距右端点$a$处)。
- 根据万有引力定律$F = G\frac{m_1m_2}{r^2}$(这里$G$用$k$表示),可得这一小段对质点的引力微元为$dF = k\frac{m\cdot dm}{(a + x)^2}$。
- 将$dm = \mu dx$代入上式,得到$dF = k\frac{m\mu}{(a + x)^2}dx$。
- 确定积分区间并计算总引力:
- 细直杆的长度为$\alpha$,从右端点($x = 0$)到左端点($x = \alpha$),所以积分区间为$[0,\alpha]$。
- 对引力微元$dF$在区间$[0,\alpha]$上进行积分,可得整个细直杆对质点的引力$F = \int_{0}^{\alpha} k\frac{m\mu}{(a + x)^2}dx$。