求摆线x=a(t-sint),y=a(1-cost),0≤t≤2π.与x轴所围成图形绕y轴旋转所的旋转体的体积.

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  • 解题思路:由于摆线类似于拱形,与x轴所围成图形绕y轴旋转所得的旋转体,用垂直于y轴的平面去截,截面是一个圆环,因此,采用体积微元法.首先将平行截面圆环的面积表示出来,然后把圆环所在的柱面体积求出来,得到体积微元,积分即可.

    首先取体积微元,在x=a(t-sint)处,x变化量为dx,形成的圆环面积为:

    dS=2πxdx,

    圆环所在柱面体积:dV=ydS=2πxydx

    又dx=d[a(t-sint)]=a(1-cost)dt

    将x,y参数方程代入得:

    dV=2π[a(t-sint)][a(1-cost)][a(1-cost)dt]=2πa3(t-sint)(1-cost)2dt

    ∴V=

    ∫2π02πa3(t−sint)(1−cost)2dt

    作变换u=t-π,则 t=u+π,dt=du,

    原积分变为:

    V=

    ∫π−π2πa3[(u+π)−sin(u+π)]•[1−cos(u+π)]2du

    =2πa3

    ∫π−π[π+(u+sinu)](1+cosu)2du

    =2π2a3

    ∫π−π(1+cosu)2du+

    2πa3∫π−π(u+sinu)(1+cosu)2du

    上式积分的第二部分被积函数 (u+sinu)(1+cosu)2为奇函数,因此在[-π,π]上,积分为0

    ∴V=2π2a3

    ∫π−π(1+cosu)2du=2π2a3

    ∫π−π(1+2cosu+cos2u)du

    =4π2a3+4π2a3

    ∫π−πcosudu+π2a3

    ∫π−π(1+cos2u)du

    =4π2a3−4π2a3sinu

    |π−π+2π2a3−

    1

    2π2a3sin2u

    |π−π

    =6π2a3

    点评:

    本题考点: 旋转体的体积及侧面积的计算.

    考点点评: 此题虽然是旋转体体积,但是不好用旋转体的体积公式,因为用平行于x轴的直线去截图形,与边界相交的两个点的横坐标不好表示出来.此外,此题在求解过程中,用到了定积分的“偶倍奇零”性质,以简化运算.