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.