图中展示了一个叶片长度为 25 m25\text{ m} 的风力发电机。风力发电机的中心距离地面 35 m35\text{ m}。在离开 XX 点 tt 秒后,特定叶片尖端距离地面的高度 h mh\text{ m} 可建模为 h=acos⁡bt+ch = a \cos bt + c,其中 kk 为常数。
风力发电机叶片的旋转速度为每 3π3\pi 秒转 11 圈。

  1. (a)

    求 aa、bb 和 cc 的值。

  2. (b)

    由此,画出 h=acos⁡bt+ch = a \cos bt + c 在 0<t<6π0 < t < 6\pi 范围内的函数图像草图。

  3. (c)

    求离开 XX 后,叶片首次到达距离地面 42 m42\text{ m} 高度所需的时间。

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完整解法

7(a)

1. Find the value of $c$ (the principal axis).

The centre of the wind turbine is 35 m35\text{ m} above the ground, which represents the mean height of the blade tip.
c=35c = 35

2. Find the value of $a$ (related to the amplitude).

The amplitude of the motion is the length of the blade, which is 25 m25\text{ m}.
At t=0t = 0, the blade is at XX, which is the lowest point of its path.
Minimum height =35−25=10 m= 35 - 25 = 10\text{ m}.
Substitute t=0t = 0 into h=acos⁡bt+ch = a \cos bt + c:
h(0)=acos⁡(0)+35=a+35h(0) = a \cos(0) + 35 = a + 35
a+35=10a + 35 = 10
a=−25a = -25

3. Find the value of $b$ using the period of the motion.

The blade completes 11 revolution in 3π3\pi seconds, so the period is 3π3\pi.
Period=2πb\text{Period} = \frac{2\pi}{b}
2πb=3π\frac{2\pi}{b} = 3\pi
b=2π3π=23b = \frac{2\pi}{3\pi} = \frac{2}{3}

答案

a=−25a = -25, b=23b = \frac{2}{3}, c=35c = 35

7(b)

1. State the equation of the graph using values from part (a)

From part (a), a=−25a = -25, b=23b = \frac{2}{3}, and c=35c = 35.
The equation is h=−25cos⁡(23t)+35h = -25 \cos\left(\frac{2}{3}t\right) + 35.

2. Determine the key features of the graph (amplitude, period, and key points)

Amplitude =25= 25, principal axis is h=35h = 35.
Period =2π2/3=3π= \frac{2\pi}{2/3} = 3\pi.
The domain 0<t<6π0 < t < 6\pi covers exactly two full cycles.
Key points:

  • t=0,h=10t = 0, h = 10 (minimum, open circle)
  • t=1.5π,h=60t = 1.5\pi, h = 60 (maximum)
  • t=3π,h=10t = 3\pi, h = 10 (minimum)
  • t=4.5π,h=60t = 4.5\pi, h = 60 (maximum)
  • t=6π,h=10t = 6\pi, h = 10 (minimum, open circle)

3. Sketch the graph

Draw a smooth wave passing through the key points identified, ensuring the endpoints at t=0t=0 and t=6πt=6\pi are marked with open circles to reflect the strict inequalities 0<t<6π0 < t < 6\pi.

答案

A smooth inverted cosine wave starting from an open circle at (0,10)(0, 10), reaching maxima at (1.5π,60)(1.5\pi, 60) and (4.5π,60)(4.5\pi, 60), a minimum at (3π,10)(3\pi, 10), and ending with an open circle at (6π,10)(6\pi, 10).

7(c)

1. Set up the equation using the model from part (a)

From part (a), the model is h=−25cos⁡(23t)+35h = -25 \cos\left(\frac{2}{3}t\right) + 35.
Substitute h=42h = 42:
−25cos⁡(23t)+35=42-25 \cos\left(\frac{2}{3}t\right) + 35 = 42

2. Isolate the trigonometric term

−25cos⁡(23t)=7-25 \cos\left(\frac{2}{3}t\right) = 7
cos⁡(23t)=−0.28\cos\left(\frac{2}{3}t\right) = -0.28

3. Solve for the first positive value of $t$

Since we want the first time, we find the smallest positive angle in the second quadrant:
23t=cos⁡−1(−0.28)\frac{2}{3}t = \cos^{-1}(-0.28)
23t≈1.8546\frac{2}{3}t \approx 1.8546
t=1.8546×32t = 1.8546 \times \frac{3}{2}
t≈2.7819t \approx 2.7819
t≈2.78 s (to 3 s.f.)t \approx 2.78\text{ s (to 3 s.f.)}

答案

2.78 s2.78\text{ s}

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