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物理
题目

求变力overrightarrow (F')=(2x-y,3y+x)将质点沿椭圆overrightarrow (F')=(2x-y,3y+x)的正向转动一周所做的功。

求变力将质点沿椭圆的正向转动一周所做的功。

题目解答

答案

记椭圆为曲线,

由题意,可知:变力将质点沿椭圆的正向转动一周,

因此根据第二型曲线积分的物理意义,可得此变力所做的功为:,

由于围成的区域为有界闭区域,

因此记椭圆围成的闭区域为,

则根据格林公式,可得:

根据二重积分的几何意义,可得:

的值等于区域的面积,

将椭圆的方程改写为:,

则根据椭圆的面积公式,可得区域的面积为:,

因此可得:,

从而可得:

,

故本题答案为:变力将质点沿椭圆的正向转动一周所做的功为。

解析

考查要点:本题主要考查第二类曲线积分的计算,以及格林公式的应用。需要将变力所做的功转化为曲线积分,并利用格林公式将其转化为二重积分,结合椭圆面积公式求解。

解题核心思路:

  1. 物理意义转化:根据功的定义,将变力所做的功转化为第二类曲线积分。
  2. 格林公式应用:判断曲线闭合性后,应用格林公式将曲线积分转化为二重积分。
  3. 椭圆面积计算:通过椭圆标准方程确定半轴长,利用面积公式计算区域面积。

破题关键点:

  • 偏导数计算:正确计算$\frac{\partial Q}{\partial x}$和$\frac{\partial P}{\partial y}$。
  • 椭圆方程标准化:将原方程转化为标准椭圆形式,确定半轴长度。
  • 面积公式应用:直接利用椭圆面积公式简化积分计算。

步骤1:建立曲线积分表达式

根据功的定义,变力$\overrightarrow{F'}=(2x-y, 3y+x)$所做的功为:
$W = \int_L (2x - y)dx + (3y + x)dy$

步骤2:应用格林公式

椭圆$4x^2 + y^2 = 4$是闭合曲线,满足格林公式条件。设$P = 2x - y$,$Q = 3y + x$,则:
$\frac{\partial Q}{\partial x} = 1, \quad \frac{\partial P}{\partial y} = -1$
代入格林公式:
$W = \iint_D \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right) dxdy = \iint_D (1 - (-1)) dxdy = 2 \iint_D dxdy$

步骤3:计算区域面积

将椭圆方程标准化:
$\frac{x^2}{1^2} + \frac{y^2}{2^2} = 1$
椭圆面积为:
$S = \pi \cdot 1 \cdot 2 = 2\pi$

步骤4:求最终结果

代入面积得:
$$
W = 2 \cdot 2\pi = 4\pi



---

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