物理量积分母式:局部贡献对质量元累加

它解决什么问题

重心、转动惯量、引力看起来像三套公式,其实底层只有一句话:

整体量物体局部贡献

其中质量元为,如果是平面薄片,则,如果是曲线,则

核心定义 / 定理 / 结论

总质量

最基础的公式是,空间体中就是

质心

设位置向量为,质心公式为,展开为

本质是:

质心位置向量的质量加权平均

转动惯量

绕轴 的转动惯量为,其中 是质量元到转轴 的距离。

常见特例:

本质是:

转动惯量到转轴距离平方的质量加权总和

引力

设质点位置向量为 ,物体中质量元位置向量为 。

质量元 对质点 的引力微元为

总引力为

它是向量积分,方向不能丢。

统一表

物理量统一写法局部权重
质量
质心位置
转动惯量距离平方
引力$\vec F=Gm\int\dfrac{\vec r-\vec r_0}{\vec r-\vec r_0^3},dm$反平方方向向量

所以真正的母式是:

其中 是你关心的局部贡献。

典型题型

做这类题不要先背公式,而是先问:

  1. 物体是一段曲线、平面薄片、曲面薄壳,还是空间体?
  2. 质量元 应该写成 、、,还是 ?
  3. 局部贡献 是位置、距离平方,还是力的向量贡献?
  4. 是否有对称性让某些分量为 ?

常见误用

  • 密度不均匀时把 当常数提出去。
  • 求质心时忘记除以总质量 。
  • 转动惯量用错距离,应该是到转轴的距离,不是到原点的距离。
  • 引力是向量叠加,不能只累加大小。

与旧知识的连接

这页把多元积分的“几何微元”转成物理量。核心仍然是第 18 章的主线:

对象微元局部贡献累加

关联题目

暂无。

链接

一元积分题型训练