Различные методы изучения приложений интеграла в физике

Авторы различных учебников по–разному выводят формулы при изучении приложений интеграла. Рассмотрим несколько различных методов получения (вывода) формул.I. Составление интегральных сумм.Масса стержня переменной плотности.Будем считать, что отрезок [a; b] оси Ох имеет массу с переменной линейной плотностью ρ(х)0, где ρ(х) – непрерывная на отрезке [a; b] функция. Общая масса этого отрезка,где a=x0<x1<…<xn=b, Δxi =xi+1-xi.Аналогично можно вывести формулы для нахождения работы силы, работы электрического заряда, давления жидкости на стенку, центра тяжести системы материальных точек. Центр масс.При нахождении центра масс пользуются следующими правилами:Координата центра масс системы материальных точек А1, А2,…, Аn с массами m1, m2,…, mn, расположенных на прямой в точках с координатами x1, x2,…, xn, находится по формуле.2) При вычислении координаты центра масс можно любую часть фигуры заменить на материальную точку, поместив её в центр масс этой части, и приписать ей массу, равную массе рассматриваемой части фигуры.Пусть вдоль стержня – отрезка [a; b] оси Ох – распределена масса плотностью ρ(х), где ρ(х) – непрерывная функция. Покажем, что координата центра масс равна .Разобьем отрезок [a; b] на n равных частей точками a=x0<x1<…<xn=b. На каждом из n этих отрезков плотность можно считать при больших n постоянной и примерно равной ρ(xk-1) на k-м отрезке (в силу непрерывности ρ(х) ). Тогда масса k-отрезка примерно равна , а масса всего стержня равна . Считая каждый из n маленьких отрезков материальной точкой массы mk, помещенной в точке xk-1, получим, что координата центра масс приближенно находится так:

.

Теперь осталось заметить, что при числитель стремится к интегралу , а знаменатель (выражающий массу всего стержня) – к интегралу .

Аналогично можно вывести формулу для нахождения работы силы.

II. Метод дифференциалов.

Электрический заряд.

Представим себе переменный ток, текущий по проводнику. Как вычислить заряд q, переносимый за интервал времени [a; b] через сечение проводника? Если бы сила тока I не менялась со временем, то изменение заряда q равнялось бы произведению I(b-a). Пусть задан закон изменения I=I(t) в зависимости от времени. Тогда на малом интервале времени [t; t+dt] можно считать силу тока постоянной и равной I(t). Тогда дифференциал заряда запишем так: dq=I(t)dt. Отсюда получаем, что весь заряд, переносимый за интервал времени [a; b] можно записать в виде интеграла:

.

Аналогично выводятся и формулы для нахождения работы силы, перемещения точки, вычисления массы стержня, электрического заряда и давления воды на плотину.

III. Рассмотрение практической задачи.

Работа силы.

Вычислить работу силы F при сжатии пружины на 0,08 м, если для её сжатия на 0,01 м требуется сила 10 Н.

По закону Гука сила F пропорциональна растяжению или сжатию пружины, т. е. F=kx, где x – величина растяжения или сжатия (в м), k – постоянная. Из условия задачи находим k. Так как при х=0,01 м и сила F=10 Н, то . Следовательно, F(x)=kx=1000x.

Еще о педагогике:

Занятия по рисованию, лепке и аппликации для детей второй младшей группы
Рисование карандашами «Трава для зайчат» Цель: воспитывать у детей сочувствие к игровым персонажам и вызвать желание помогать; учить рисовать траву короткими штрихами, побуждать, свободно располагать штрихи на всей поверхности листе; познакомить с зеленым цветом; подводить к пониманию того, что зел ...

Миссия воспитателя в дошкольном учреждении
Все звенья сферы образования, в частности дошкольного, первостепенной задачей воспитания подрастающего поколения считают его разностороннее развитие. Успешность решения этой задачи зависит от многих условий, прежде всего от тех людей, кто ее реализует. В современном мире невозможно воспитать ребенк ...

Выявление уровня организаторских способностей подростков в детском оздоровительном лагере
Работа социального педагога в летних оздоровительных лагерях имеет свои особенности, связанные со стоящими перед ним задачами: укрепления здоровья детей, отдыха и воспитания в разнообразной увлекательной дли них деятельности, организуемой на основе ребяческого самоуправления. В лагерях отношения вз ...