题目
某水库的闸门形状为等腰梯形,它的两条底边各长10m和6m,高为20m,较长的底边与水面相齐.则闸门的一侧所受水的压力为_____.
某水库的闸门形状为等腰梯形,它的两条底边各长10m和6m,高为20m,较长的底边与水面相齐.则闸门的一侧所受水的压力为_____.
题目解答
答案
建立坐标系,设较长底边(10m)为x轴,垂直向下为y轴。梯形高20m,y范围为[0, 20]。
计算每个小水平条的宽度:
- 右腰方程:$x = 5 - \frac{y}{10}$
- 左腰方程:$x = -5 + \frac{y}{10}$
- 宽度:$10 - \frac{y}{5}$ m
水深为y,小条面积为$\left(10 - \frac{y}{5}\right)dy$,压力为$g y \left(10 - \frac{y}{5}\right)dy$。
积分求总压力:
\[
\int_0^{20} g y \left(10 - \frac{y}{5}\right)dy = g \int_0^{20} \left(10y - \frac{y^2}{5}\right)dy = g \left[5y^2 - \frac{y^3}{15}\right]_0^{20} = g \left(2000 - \frac{1600}{3}\right) = g \cdot \frac{4400}{3}
\]
取 $g = 9.8$ m/s²,得
\[
9.8 \cdot \frac{4400}{3} \approx 14373 \text{ N}
\]
**答案:** $\boxed{\frac{4400}{3} g}$ 牛顿(或近似 $\boxed{14373}$ 牛顿)
解析
考查要点:本题主要考查液体压强的计算以及积分法求总压力的应用。需要学生掌握如何将不规则形状的平面压力问题转化为积分问题,并正确建立坐标系、确定各深度处的宽度函数。
解题核心思路:
- 建立坐标系:以较长底边为x轴,垂直向下为y轴,确定积分变量y的范围。
- 确定宽度函数:通过梯形的几何关系,推导出不同深度y处的水平条宽度。
- 积分求总压力:将每个微小水平条的压力(压强×面积)积分,得到总压力。
破题关键点:
- 正确写出梯形左右腰的方程,从而得到任意深度y处的宽度。
- 正确设置积分表达式,注意压强随深度线性变化的特性。
建立坐标系与几何分析
以较长底边(10m)为x轴,垂直向下为y轴,水面位于y=0处,闸门高度为20m,积分范围为$y \in [0, 20]$。
确定宽度函数
- 右腰方程:从点$(5, 0)$到$(3, 20)$,斜率为$\frac{3-5}{20-0} = -\frac{1}{10}$,方程为$x = 5 - \frac{y}{10}$。
- 左腰方程:从点$(-5, 0)$到$(-3, 20)$,斜率为$\frac{-3+5}{20-0} = \frac{1}{10}$,方程为$x = -5 + \frac{y}{10}$。
- 宽度:右腰与左腰的x坐标之差为:
$\left(5 - \frac{y}{10}\right) - \left(-5 + \frac{y}{10}\right) = 10 - \frac{y}{5} \, \text{m}$
积分求总压力
每个微小水平条的面积为$\left(10 - \frac{y}{5}\right) dy$,压力为$g y \left(10 - \frac{y}{5}\right) dy$。总压力为:
$\int_0^{20} g y \left(10 - \frac{y}{5}\right) dy = g \int_0^{20} \left(10y - \frac{y^2}{5}\right) dy$
计算积分:
$g \left[5y^2 - \frac{y^3}{15}\right]_0^{20} = g \left(5 \cdot 20^2 - \frac{20^3}{15}\right) = g \left(2000 - \frac{1600}{3}\right) = \frac{4400}{3} g$
取$g = 9.8 \, \text{m/s}^2$,总压力约为$14373 \, \text{N}$。