一半径为R的球沉入水中,球面顶部正好与水面相切,球的密度为1,求将球从水中取出所做的功
这个题有两种解法,第一种更容易想,第二种比较灵活但计算相对简单,我先说第一种。(前面是分析后面图片是过程)
法1:无非就是要求拉力所做的功,根据 F拉+F浮=F重力,球的重力是定值,所以此时只需求得F浮表达式就可对F拉积分。
根据阿基米德浮力定理,小球排出的水的重力等于其所受浮力,则此时需求小球在水中的体积,设拉出水面H时水面以上部分球缺的体积为Vh,球缺体积公式为Vh=πH²(R-H/3)(也是根据定积分计算得到的,百度百科上有过程这里就不展开讲了),则再用球体积减去Vh就得到水面下的球体积V1,V1g=F浮,届时,所有需要求的量都已经齐了,只需对F拉在(0,2R)积分即可得到所做的功。
法2:将球分为无数个部分(设每部分高为dx),计算每部分上升所做的功再积分即可得到总功。
以球与水面切点为原点,X轴铅直向下,则距原点x处的一部分V=π[R²-(R-x)²]dx,这部分重力为G=π[R²-(R-x)²]gdx,我们要将球完全提离水面,则我们前面所分的每一小部分都要上升2R,但由于在水中的时候F重=F浮,则拉力不做功,直到这一小部分脱离水面才开始做功,则它在空气中上升的距离为2R-x,所以dW=(2R-x)π[R²-(R-x)²]gdx,在对其在(0,2R)积分即可得到所做的功。
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