问题
问答题
设半径为1的球正好有一半沉入水中,球的比重为1,现将球从水中取出,问要作多少功(假设在球从水中取出的过程中水面的高度不变.)
答案
参考答案:把球的质量[*]集中到球心.球从水中取出作功问题可以看成质量为[*]的质点向上移动距离为1时变力所作的功.
问题归结为求出变力,即求球在提起过程中受到的重力与浮力的合力.因球的比重为1,所以
球受的重力=球的体积,
球受的浮力=沉在水中部分的体积,
它们的合力=球露出水面部分的体积.
当球心向上移动距离h时(0<h<1),球露出水面部分的体积为
[*]
因此,球从水中取出要作的功为
[*]
[*]
[分析与求解二] 用微元分析法.取x轴垂直水平面并通过球心,方向向上,原点为球心.
[*]
任取下半球中的微元薄片即[-1,0]上小区间[x,x+dx]相应的球体中的薄片,其重量为π(1-x2)dx,在水中浮力与重量相等.当球从水中取出时,此薄片移至离水面高为(1+x)处需作功
dW=(1+x)π(1-x2)dx.
于是,对下半球作的功为 [*]
任取上半球中的微元薄片即[0,1]上小区间[x,x+dx]相应的球体中的薄片,其重量为π(1-x2).当球从水中取出时,它移动的距离为1,需作功
dW=π(1-x2)dx.
于是对上半球作的功为 [*]
因此,对整个球作的功
[*]