Задача 1. Вычислить работу силы при перемещении точки приложения силы вдоль заданной кривой L: от точки B до точки C, если значения параметра t в точках B и C заданы: .
Решение.
Для вычисления работы используем криволинейный интеграл II рода (формула (3)): .
Составленный криволинейный интеграл сводим к определенному интегралу, используя параметрические уравнения кривой ВС:
.
Для заданной кривой получаем:
Таким образом, для нахождения работы нужно вычислить определенный интеграл:
Сделаем замену переменной в определенном интеграле:
, ,
тогда получим: .
Используем прием «подведение под знак дифференциала части подинтегральной функции»:
Ответ: ед. работы.
Задача 2. Задан радиус-вектор движущейся точки:
. Найти векторы скорости и ускорения движения этой точки через 2 минуты после начала движения.
Решение.
Вектор-функция задана в координатной форме: .
Найдем первые и вторые производные ее проекций x (t), y (t) z (t) по аргументу t:
Найдем векторы скорости и ускорения движения точки по формулам (4) и (5):
|
|
.
Через 2 минуты после начала движения векторы скорости и ускорения будут:
, .
Ответы: , .
Задача 3. Дано векторное поле и уравнение плоскости d: 3 x + y + 2 z – 3 = 0. Требуется:
1) найти поток поля через плоскость треугольника АВС где А, В, и С – точки пересечения плоскости d с координатными осями, в направлении нормали плоскости, ориентированной «от начала координат»; построить чертеж пирамиды ОАВС, где О – начало координат;
2) используя формулу Остроградского-Гаусса, вычислить поток поля через полную поверхность пирамиды ОАВС в направлении внешней нормали.
Решение.
1) Чтобы вычислить поток поля через плоскость треугольника АВС используем формулу (6): ПАВС = , где D – проекция треугольника АВС на плоскость xOy, F – функция, задающая плоскость d, которой принадлежит треугольник АВС.
Для построения чертежа найдем точки А, В, и С пересечения плоскости d с координатными осями:
.
Построим чертеж пирамиды, отложив на координатных осях точки А, В, С и соединив их с началом координат O (рис. 9).
Из уравнения плоскости d: 3 x + y + 2 z – 3 = 0, которое имеет вид F (x, y, z) = 0, находим .
Поскольку все три проекции градиента положительные, то этот вектор образует с координатными осями острые углы, т.е. направлен «от начала координат» по отношению к плоскости d. Это означает, что вектор и орт «внешней» нормали , указанный в задаче, совпадают по направлению, поэтому вычисление потока через плоскость треугольника АВС сводится к вычислению двойного интеграла: ПАВС = + (перед интегралом ставим знак «+»), где AOВ – проекция треугольника ABC на плоскость xOy.
|
|
Для расстановки пределов интегрирования по треугольнику AOВ (рис. 10) найдем уравнение прямой АВ на плоскости xOy:
Вычислим и получим подинтегральную функцию, подставив = 2 и (из уравнения плоскости):
.
Таким образом, поток поля через плоскость треугольника АВС:
.
Вычислим внутренний интеграл по переменной y:
Вычислим внешний интеграл по переменной х:
.
2) Чтобы вычислить поток поля через полную поверхность пирамиды ОАВС, воспользуемся формулой Остроградского-Гаусса:
.
Найдем дивергенцию этого поля по формуле (8): . Для поля получаем:
.
Вычислим поток поля через полную поверхность пирамиды ОАВС:
, где – объем пирамиды ОАВС. Этот объем можно вычислить, следующим образом:
.
В результате получаем: .
Ответы: ПABC = 8,5, рисунок 9; 2) ПОАВС = –2,25.
Задача 4. Проверить, является ли векторное поле силы потенциальным или соленоидальным. В случае потенциальности поля найти его потенциал и вычислить с помощью потенциала работу силы при перемещении единичной массы из точки M (0,1,0) в точку N (–1,2,3).
Решение.
Для проверки потенциальности векторного поля найдем его ротор по формуле (10):
Следовательно, поле потенциально.
Для проверки соленоидальности поля найдем его дивергенцию по формуле (8):
.
Следовательно, поле не соленоидально.
Для нахождения потенциала U (x,y, z) векторного поля возьмем фиксированную точку В (0,0,0), текущую точку С (x, y, z) и вычислим криволинейный интеграл по ломаной ВEKC, звенья которой параллельны осям координат и E (x,0,0), K (x,y,0) (см. рис. 7). По формуле (12) получим:
Получили потенциал поля , где С – произвольная постоянная. Для проверки решения найдем градиент потенциала : . Следовательно, потенциал поля силы найден верно.
Найдем работу векторного поля при перемещении единичной массы из точки M (0,1,0) в точку N (–1,2,3) по формуле (11):
.
Ответы: поле потенциально, не соленоидально; , где С – произвольная постоянная; работа А = –10.