7. D由y^2=(9)/(2)x与直线x=2围成,则均匀薄片D绕x轴的转动惯量I_(x)=( ). bigcircA. 72ρ.B. (36)/(5)ρ;C. (144)/(5)ρ;D. (72)/(5)ρ;
A. 72ρ.
B. $\frac{36}{5}ρ$;
C. $\frac{144}{5}ρ$;
D. $\frac{72}{5}ρ$;
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查二重积分在转动惯量中的应用,涉及积分区域的确定、积分次序的选择以及对称性的利用。
解题核心思路:
- 确定积分区域:由抛物线$y^2 = \frac{9}{2}x$和直线$x=2$围成的区域$D$,需转化为$x$和$y$的范围。
- 建立积分表达式:利用转动惯量公式$I_x = \iint_D \rho y^2 \, dA$,选择合适的积分次序。
- 简化计算:通过积分次序的选择和对称性(偶函数性质)减少计算量。
破题关键点:
- 积分区域的转换:将抛物线方程变形为$x = \frac{2}{9}y^2$,确定$x$的范围。
- 对称性应用:被积函数$y^2$和$y^4$均为偶函数,积分区间对称时可简化为单边积分。
步骤1:确定积分区域
抛物线$y^2 = \frac{9}{2}x$可变形为$x = \frac{2}{9}y^2$。当$x=2$时,解得$y = \pm 3$。因此,区域$D$可表示为:
$D = \left\{ (x, y) \mid \frac{2}{9}y^2 \leq x \leq 2, \, -3 \leq y \leq 3 \right\}$
步骤2:建立积分表达式
转动惯量公式为:
$I_x = \iint_D \rho y^2 \, dA$
选择先对$x$积分,再对$y$积分,得:
$I_x = \rho \int_{-3}^{3} \int_{\frac{2}{9}y^2}^{2} y^2 \, dx \, dy$
步骤3:计算内层积分(对$x$积分)
$\int_{\frac{2}{9}y^2}^{2} y^2 \, dx = y^2 \left( 2 - \frac{2}{9}y^2 \right) = 2y^2 - \frac{2}{9}y^4$
步骤4:计算外层积分(对$y$积分)
利用对称性,将积分区间从$-3$到$3$简化为$0$到$3$的两倍:
$I_x = \rho \cdot 2 \int_{0}^{3} \left( 2y^2 - \frac{2}{9}y^4 \right) \, dy$
步骤5:逐项积分
-
第一项积分:
$\int_{0}^{3} 2y^2 \, dy = 2 \cdot \left[ \frac{y^3}{3} \right]_0^3 = 2 \cdot \frac{27}{3} = 18$ -
第二项积分:
$\int_{0}^{3} \frac{2}{9}y^4 \, dy = \frac{2}{9} \cdot \left[ \frac{y^5}{5} \right]_0^3 = \frac{2}{9} \cdot \frac{243}{5} = \frac{54}{5}$
步骤6:合并结果
$I_x = \rho \cdot 2 \left( 18 - \frac{54}{5} \right) = \rho \cdot 2 \cdot \frac{36}{5} = \frac{72}{5}\rho$